Interstitialdefekt - Interstitial defect
Ein interstitieller Defekt ist eine Art punktkristallographischer Defekt, bei dem ein Atom desselben oder eines anderen Typs eine normalerweise nicht besetzte Stelle in der Kristallstruktur einnimmt . Wenn das Atom vom gleichen Typ ist wie die bereits vorhandenen, spricht man von einem selbstinterstitiellen Defekt . Alternativ können kleine Atome in einigen Kristallen Zwischengitter wie Wasserstoff in Palladium besetzen . Interstitials können hergestellt werden, indem ein Kristall mit Elementarteilchen beschossen wird , deren Energie über der Verschiebungsschwelle für diesen Kristall liegt. Sie können jedoch auch in geringen Konzentrationen im thermodynamischen Gleichgewicht vorliegen . Das Vorhandensein von interstitiellen Defekten kann die physikalischen und chemischen Eigenschaften eines Materials verändern.
Selbstinterstitials
Selbstinterstitielle Defekte sind interstitielle Defekte, die nur Atome enthalten, die mit den bereits im Gitter vorhandenen identisch sind.
Die Struktur interstitieller Defekte wurde in einigen Metallen und Halbleitern experimentell bestimmt .
Im Gegensatz zu dem, was man intuitiv erwarten könnte, haben die meisten Selbstinterstitielle in Metallen mit bekannter Struktur eine "gespaltene" Struktur, in der zwei Atome dieselbe Gitterstelle teilen. Typischerweise ist das Zentrum der Masse ist , der zwei Atomen am Gitterplatz, und sie sind entlang einer der Haupt symmetrisch von ihm verdrängte Gitterrichtungen . Beispielsweise ist in mehreren gängigen flächenzentrierten kubischen (fcc) Metallen wie Kupfer, Nickel und Platin die Grundzustandsstruktur des Selbstinterstitials die gespaltene [100] Interstitialstruktur, bei der zwei Atome positiv und negativ verschoben sind [100] Richtung von der Gitterstelle. In körperzentriertem kubischem (bcc) Eisen ist die interstitielle Struktur des Grundzustands in ähnlicher Weise eine [110] gespaltene interstitielle Struktur.
Diese geteilten Interstitials werden oft als Hantel-Interstitials bezeichnet, da das Auftragen der beiden Atome, die das Interstitial bilden, mit zwei großen Kugeln und einer dicken Linie, die sie verbindet, die Struktur einer Hantel -Gewichthebervorrichtung ähnelt .
Bei anderen bcc-Metallen als Eisen wird angenommen, dass die Grundzustandsstruktur auf der Grundlage neuerer Berechnungen der Dichtefunktionaltheorie das [111] Crowdion Interstitial ist, das als lange Kette (typischerweise etwa 10–20) von Atomen entlang der [ 111] Gitterrichtung, komprimiert im Vergleich zum perfekten Gitter, so dass die Kette ein zusätzliches Atom enthält.
Bei Halbleitern ist die Situation komplexer, da Defekte geladen werden können und unterschiedliche Ladungszustände unterschiedliche Strukturen aufweisen können. Beispielsweise kann in Silizium das Interstitial entweder eine geteilte [110] Struktur oder eine wirklich interstitielle tetraedrische Struktur aufweisen .
Kohlenstoff, insbesondere in Graphit und Diamant, weist eine Reihe interessanter Selbstinterstitials auf - kürzlich unter Verwendung von Näherungsberechnungen mit lokaler Dichte entdeckt - ist das "Spiro-Interestitial" in Graphit, benannt nach Spiropentan , da sich das interstitielle Kohlenstoffatom zwischen zwei Basalen befindet Ebenen und in einer Geometrie ähnlich wie Spiropentan gebunden.
Verunreinigungszwischenräume
Kleine interstitielle Verunreinigungsatome befinden sich normalerweise an echten Stellen außerhalb des Gitters zwischen den Gitteratomen. Solche Stellen können durch die Symmetrie der interstitiellen Atomposition in Bezug auf ihre nächsten Gitteratome charakterisiert werden . Beispielsweise befindet sich ein Verunreinigungsatom I mit 4 nächsten Nachbarn des Gitteratoms A (in gleichen Abständen) in einem fcc-Gitter in einer tetraedrischen Symmetrieposition und kann daher als tetraedrisches Interstitial bezeichnet werden.
Große Verunreinigungs-Interstitials können auch in geteilten Interstitial-Konfigurationen zusammen mit einem Gitteratom vorliegen, ähnlich denen des Selbst-Interstitial-Atoms.
Auswirkungen von Interstitials
Interstitials verändern die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Materialien.
- Interstitielle Kohlenstoffatome spielen eine entscheidende Rolle für die Eigenschaften und die Verarbeitung von Stählen, insbesondere Kohlenstoffstählen .
- Verunreinigungszwischenräume können beispielsweise zur Speicherung von Wasserstoff in Metallen verwendet werden.
- Das Kristallgitter kann sich mit der Konzentration der Verunreinigungszwischenräume ausdehnen
- Die Amorphisierung von Halbleitern wie Silizium während der Ionenbestrahlung wird häufig durch den Aufbau einer hohen Konzentration von Zwischengittern erklärt, die schließlich zum Zusammenbruch des Gitters führen, wenn es instabil wird.
- Die Bildung großer Mengen von Interstitials in einem Feststoff kann zu einem erheblichen Energieaufbau führen, der bei Freisetzung sogar zu schweren Unfällen in bestimmten alten Typen von Kernreaktoren führen kann ( Wigner-Effekt ). Die Hochenergiezustände können durch Tempern freigesetzt werden .
- Zumindest im fcc-Gitter haben Interstitials einen großen diaelastischen Erweichungseffekt auf das Material.
- Es wurde vorgeschlagen, dass Interstitials mit dem Einsetzen des Schmelzens und dem Glasübergang zusammenhängen .