Интерстициальный дефект

В материаловедении межузельный дефект — это тип точечного кристаллографического дефекта , при котором атом того же или другого типа занимает междоузельное место в кристаллической структуре . Когда атом принадлежит к тому же типу, что и уже присутствующие, он известен как собственный межузельный дефект . Альтернативно, небольшие атомы в некоторых кристаллах могут занимать межузельные позиции, например, водород в палладии . Междоузлия могут быть созданы путем бомбардировки кристалла элементарными частицами , энергия которых превышает порог смещения для этого кристалла, но они также могут существовать в небольших концентрациях в термодинамическом равновесии . Наличие межузельных дефектов может изменить физические и химические свойства материала.

История

Идея межузельных соединений возникла в конце 1930-х годов, и их часто называют фазами Хагга в честь Хэгга. ^[1] Переходные металлы обычно кристаллизуются либо в гексагональной плотноупакованной , либо в гранецентрированной кубической структуре, обе из которых можно рассматривать как состоящие из слоев гексагонально плотноупакованных атомов. В обеих этих очень похожих решетках есть два типа промежутков или отверстий:

Две тетраэдрические дырки на атом металла, т.е. дырка находится между четырьмя атомами металла.
Одна октаэдрическая дырка на атом металла, т.е. дырка находится между шестью атомами металла.

Ранние исследователи предположили, что:

решетка металла практически не подвергалась влиянию межузельного атома
электропроводность была сравнима с проводимостью чистого металла.
был диапазон состава
тип занимаемого междоузлия определялся размером атома

Они рассматривались не как соединения, а скорее как растворы, скажем, углерода в решетке металла, с предельной верхней «концентрацией» меньшего атома, которая определялась количеством доступных междоузлий.

Текущий

Более детальное знание строения металлов, а также бинарных и тройных фаз металлов и неметаллов показывает, что:

обычно при низких концентрациях малых атомов фазу можно описать как раствор, и это приближается к историческому описанию межузельного соединения, приведенному выше.
при более высоких концентрациях малых атомов могут присутствовать фазы с различной структурой решетки, и они могут иметь диапазон стехиометрии .

Одним из примеров является растворимость углерода в железе. Форма чистого железа, стабильная при температуре от 910°C до 1390°C, γ-железо, образует твердый раствор с углеродом , называемый аустенитом , который также известен как сталь .

Межстраничные объявления

Самомежузельные дефекты — это межузельные дефекты, которые содержат только те атомы, которые уже присутствуют в решетке.

Структура собственных междоузлий в некоторых распространенных металлах. Левая часть каждого типа кристаллов показывает идеальный кристалл, а правая — дефектный.

Структура межузельных дефектов экспериментально установлена в некоторых металлах и полупроводниках .

Вопреки тому, что можно было интуитивно ожидать, большинство междоузельных элементов в металлах с известной структурой имеют «расщепленную» структуру, в которой два атома находятся в одном и том же узле решетки. ^[2]^[3] Обычно центр масс двух атомов находится в узле решетки, и они смещены от него симметрично вдоль одного из главных направлений решетки . Например, в некоторых распространенных металлах с гранецентрированной кубической (ГЦК) структурой, таких как медь, никель и платина, основной структурой межузельного состояния является расщепленная [100] межузельная структура, в которой два атома смещаются в положительном и отрицательном направлении. [100] направление от узла решетки. В объемноцентрированном кубическом (ОЦК) железе междоузельная структура основного состояния аналогично [110] расщепленному междоузлию.

Эти разделенные междоузлия часто называют междоузлиями в виде гантелей, потому что изображение двух атомов, образующих междоузлия, с двумя большими сферами и толстой линией, соединяющей их, делает структуру похожей на с гантелями устройство для поднятия тяжестей .

В других ОЦК-металлах, кроме железа, структура основного состояния, как полагают на основании недавних расчетов теории функционала плотности, представляет собой [111] краудионное междоузлие, ^[4] которую можно понимать как длинную цепочку (обычно около 10–20) атомов вдоль направления решетки [111], сжатую по сравнению с идеальной решеткой, так что цепочка содержит один дополнительный атом.

Структура самомежузельных гантелей в кремнии. Отметим, что структура межузельного атома кремния может зависеть от зарядового состояния и уровня легирования материала.

В полупроводниках ситуация более сложная, поскольку дефекты могут быть заряжены и разные зарядовые состояния могут иметь разную структуру. Например, в кремнии междоузлие может иметь либо расщепленную [110] структуру, либо тетраэдрическую истинно межузельную структуру. ^[5]

Углерод, особенно в графите и алмазе, имеет ряд интересных междоузлий, недавно обнаруженных с помощью приближения локальной плотности . Расчеты представляют собой «спиро-интерстициал» в графите, названный в честь спипентана , поскольку межузельный атом углерода расположен между двумя базальными атомами углерода. плоскости и связаны по геометрии, подобной спиропентану. ^[6]

Междоузельные примеси

Межузельные атомы небольших примесей обычно находятся в истинных межузельных узлах между атомами решетки. Крупные примесные межузельные соединения также могут находиться в расщепленных межузельных конфигурациях вместе с атомом решетки, аналогично конфигурации собственного межузельного атома.

Эффекты межстраничных объявлений

Междоузлия изменяют физические и химические свойства материалов.

Межузельные атомы углерода играют решающую роль в свойствах и обработке сталей, в частности углеродистых сталей .
Примесные междоузлия можно использовать, например, для хранения водорода в металлах.
Кристаллическая решетка может расширяться за счет концентрации примесных междоузлий.
Аморфизация полупроводников, таких как кремний, во время ионного облучения часто объясняется накоплением высокой концентрации межузельных элементов, что в конечном итоге приводит к коллапсу решетки, поскольку она становится нестабильной. ^[7]^[8]
Создание большого количества междоузлий в твердом теле может привести к значительному накоплению энергии, что при выбросе может даже привести к тяжелым авариям в некоторых старых типах ядерных реакторов ( эффект Вигнера ). Состояния с высокой энергией могут быть освобождены путем отжига .
По крайней мере, в ГЦК-решетке межузельные частицы оказывают большое диаупругое размягчающее действие на материал. ^[9]
Было высказано предположение, что междоузлия связаны с началом плавления и стеклования . ^[10]^[11]^[12]

Ссылки

^ Wells 56486 (1962) Структурная неорганическая химия , 3-е издание, Oxford University Press
^ Эрхарт, П. (1991) Свойства и взаимодействия атомных дефектов в металлах и сплавах , Х. Ульмайер (редактор), Ландольт-Бёрнштейн , Новая серия III, том. 25 ч. 2, стр. 88 и далее. Шпрингер, Берлин.
^ Шиллинг, В. (1978). «Самомежузельные атомы в металлах». Журнал ядерных материалов . 69–70: 465. Бибкод : 1978JNuM...69..465S . дои : 10.1016/0022-3115(78)90261-1 .
^ Дерлет, премьер-министр; Д. Нгуен-Ман; С.Л. Дударев (2007). «Многомасштабное моделирование краудионных и вакансионных дефектов в объемноцентрированно-кубических переходных металлах» . Физ. Преподобный Б. 76 (5): 054107. Бибкод : 2007PhRvB..76e4107D . дои : 10.1103/physrevb.76.054107 .
^ Уоткинс, Г.Д. (1991) «Собственные дефекты и их взаимодействие с примесями в кремнии», с. 139 в «Дефекты и диффузия при обработке кремния» , Т. Диас де ла Рубиа, С. Коффа, П.А. Столк и К.С. Рафферти (ред.), MRS Symposium Proceedings vol. 469. Общество исследования материалов, Питтсбург.
^ Хегги, М.; Эгген, БР; Юэлс, КП; и др. (1998). «ЛДФ-расчеты точечных дефектов в графитах и фуллеренах». Электрохим Соц Proc . 98 (?): 60.
^ Зейдман, Д.Н.; Авербак, РС; Окамото, PR; Бейли, AC (1987). «Процессы аморфизации в кремнии, облученном электронами и/или ионами» . Физ. Преподобный Летт . 58 (9): 900–903. Бибкод : 1987PhRvL..58..900S . doi : 10.1103/PhysRevLett.58.900 . ПМИД 10035067 .
^ Церофилини, Г.Ф.; Меда, Л.; Вольпонес, К. (1988). «Модель устранения повреждений в ионно-имплантированном кремнии». Дж. Прил. Физ . 63 (10): 4911. Бибкод : 1988JAP....63.4911C . дои : 10.1063/1.340432 .
^ Рен, Ле; Холдер, Дж.; Гранато, А.В.; Колтман, Р.Р.; Янг, JFW (1974). «Влияние облучения тепловыми нейтронами на упругие константы меди». Физ. Преподобный Б. 10 (2): 349. Бибкод : 1974PhRvB..10..349R . дои : 10.1103/PhysRevB.10.349 .
^ Гранато, А.В. (1992). «Модель межузельности для конденсированных состояний гранецентрированных кубических металлов». Физ. Преподобный Летт . 68 (7): 974–977. Бибкод : 1992PhRvL..68..974G . дои : 10.1103/PhysRevLett.68.974 . ПМИД 10046046 .
^ Форсблом, М.; Гримвалл, Г. (2005). «Гомогенное плавление перегретых кристаллов: моделирование молекулярной динамики». Физ. Преподобный Б. 72 (5): 054107. Бибкод : 2005PhRvB..72e4107F . дои : 10.1103/PhysRevB.72.054107 .
^ Нордлунд, К.; Ашкенази, Ю.; Авербак, РС; Гранато, А.В. (2005). «Струны и междоузлия в жидкостях, стеклах и кристаллах» (PDF) . Еврофиз. Летт . 71 (4): 625. Бибкод : 2005EL.....71..625N . дои : 10.1209/epl/i2005-10132-1 . S2CID 250805987 . Архивировано из оригинала (PDF) 15 февраля 2017 г. Проверено 5 апреля 2016 г.

[1] Wells 56486 (1962) Структурная неорганическая химия , 3-е издание, Oxford University Press

[Ehr91-2] Эрхарт, П. (1991) Свойства и взаимодействия атомных дефектов в металлах и сплавах , Х. Ульмайер (редактор), Ландольт-Бёрнштейн , Новая серия III, том. 25 ч. 2, стр. 88 и далее. Шпрингер, Берлин.

[Sch78-3] Шиллинг, В. (1978). «Самомежузельные атомы в металлах». Журнал ядерных материалов . 69–70: 465. Бибкод : 1978JNuM...69..465S . дои : 10.1016/0022-3115(78)90261-1 .

[4] Дерлет, премьер-министр; Д. Нгуен-Ман; С.Л. Дударев (2007). «Многомасштабное моделирование краудионных и вакансионных дефектов в объемноцентрированно-кубических переходных металлах» . Физ. Преподобный Б. 76 (5): 054107. Бибкод : 2007PhRvB..76e4107D . дои : 10.1103/physrevb.76.054107 .

[Wat97-5] Уоткинс, Г.Д. (1991) «Собственные дефекты и их взаимодействие с примесями в кремнии», с. 139 в «Дефекты и диффузия при обработке кремния» , Т. Диас де ла Рубиа, С. Коффа, П.А. Столк и К.С. Рафферти (ред.), MRS Symposium Proceedings vol. 469. Общество исследования материалов, Питтсбург.

[6] Хегги, М.; Эгген, БР; Юэлс, КП; и др. (1998). «ЛДФ-расчеты точечных дефектов в графитах и фуллеренах». Электрохим Соц Proc . 98 (?): 60.

[7] Зейдман, Д.Н.; Авербак, РС; Окамото, PR; Бейли, AC (1987). «Процессы аморфизации в кремнии, облученном электронами и/или ионами» . Физ. Преподобный Летт . 58 (9): 900–903. Бибкод : 1987PhRvL..58..900S . doi : 10.1103/PhysRevLett.58.900 . ПМИД 10035067 .

[8] Церофилини, Г.Ф.; Меда, Л.; Вольпонес, К. (1988). «Модель устранения повреждений в ионно-имплантированном кремнии». Дж. Прил. Физ . 63 (10): 4911. Бибкод : 1988JAP....63.4911C . дои : 10.1063/1.340432 .

[9] Рен, Ле; Холдер, Дж.; Гранато, А.В.; Колтман, Р.Р.; Янг, JFW (1974). «Влияние облучения тепловыми нейтронами на упругие константы меди». Физ. Преподобный Б. 10 (2): 349. Бибкод : 1974PhRvB..10..349R . дои : 10.1103/PhysRevB.10.349 .

[10] Гранато, А.В. (1992). «Модель межузельности для конденсированных состояний гранецентрированных кубических металлов». Физ. Преподобный Летт . 68 (7): 974–977. Бибкод : 1992PhRvL..68..974G . дои : 10.1103/PhysRevLett.68.974 . ПМИД 10046046 .

[11] Форсблом, М.; Гримвалл, Г. (2005). «Гомогенное плавление перегретых кристаллов: моделирование молекулярной динамики». Физ. Преподобный Б. 72 (5): 054107. Бибкод : 2005PhRvB..72e4107F . дои : 10.1103/PhysRevB.72.054107 .

[12] Нордлунд, К.; Ашкенази, Ю.; Авербак, РС; Гранато, А.В. (2005). «Струны и междоузлия в жидкостях, стеклах и кристаллах» (PDF) . Еврофиз. Летт . 71 (4): 625. Бибкод : 2005EL.....71..625N . дои : 10.1209/epl/i2005-10132-1 . S2CID 250805987 . Архивировано из оригинала (PDF) 15 февраля 2017 г. Проверено 5 апреля 2016 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]