Интерстициальный дефект

Межузельные атомы (синие) занимают некоторые места внутри решетки более крупных атомов (красные).

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 внутренний 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. 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.

Первые 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, содержащие 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. 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 межузельная 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, основываясь на недавних расчетах теории функционала плотности, считается, что структура основного состояния представляет собой [111] краудионное междоузлие, 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 гантельных межузельных элементов 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.

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.

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.
• 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.
• Было высказано предположение, что междоузлия связаны с началом плавления и стеклования .