Kristal kusur

Bir kristal kusur , kristalin periyodikliğindeki bir kesintidir. Bir kristalin periyodikliği, uzayın üç yönünde atomik konumların düzenli tekrarını temsil eder. Düzenli desenler kristalografik kusurlarla kesintiye uğrar. Nokta (boyut 0), doğrusal (boyut 1), düzlemsel (boyut 2) veya hacim (boyut 3) olabilirler.

Giriş

Mükemmel kristal ideal bir model, burada türleri onu oluşturan (olup moleküller , iyonlar , atomları ) kısa ve uzun ölçekli düzeni vardır. Bu, mükemmel kristalde türlerin eşit ve sonsuz bir şekilde istiflendiği anlamına gelir. Kristalin istiflenmesini tanımlayan ve tüm hacim boyunca kendini tekrar eden en küçük varlığa ağ denir .

Gerçekte, bu temel ağın sonsuz tekrarı yoktur ve her kristal farklı boyutlarda kusurlar sunar . İlki, bu kristalin dış yüzeyidir . Gerçekte, kristalin yüzeyi, atomların birbirini izleyen uzayda durma noktasını sunar.

Günlük karşılaşılan kristaller arasında: tuz (NaCl), şeker (C 12 H 22 0 11 ), kar taneleri.

"Kusur" teriminin kullanımı aşağılayıcı görünebilir, ancak gerçekte, onları ilginç kılan ve onlara optik, elektriksel veya mekanik özelliklerini veren, kristallerdeki bu kusurların varlığıdır.

Optik özellikler: Başlangıçta şeffaf olan korindon kristali , krom safsızlıkları ile kırmızı bir renk alır ve yakut olur . Bunlar kristale değerini veren safsızlıklardır.

Elektrik özellikleri: katkılama silikon ile fosfor mümkün bir elde edilmesini mümkün kılar yarı iletken ve bu nedenle dikkate değer bir elektrik özelliklerini vermektedir.

Mekanik özellikler: Bir malzemenin plastik deformasyonuna izin veren doğrusal kusurların varlığıdır .

Farklı kristal kusur türleri

Kristal kusurları farklı türlere ayrılmıştır. Dört tür hata vardır:

noktasal hatalar arasında, boyutu 0: boşluklar , karbon geçiş reklamları (kendiliğinden geçiş veya hetero), bir ilgili düğüm benzersiz ve sadece birkaç komşu düğümlerin rahatsız;
1. boyuttaki doğrusal kusurlar: çıkıklar (kama veya vida), bunlar yalnızca bir eğri üzerinde bulunan düğümleri ilgilendirir ve yalnızca birkaç komşu düğümü rahatsız eder;
düzlemsel kusurlar, boyut 2: tane sınırları , istifleme hatası, duvar antifazı, ikizler ;
3. boyutun hacim kusurları: gözenekler , çökeltiler , yüzey;

Nokta kusurları

Nokta kusurları kaygısı yalnızca, kristal kafesinin düğümleri izole edilen kristaller organizasyonunda kusurları bulunmaktadır. Sıralı bir yapıdaki daha büyük kusurlar genellikle dislokasyon döngüleri olarak kabul edilir . Tarihsel nedenlerden dolayı, özellikle iyonik kristallerdeki birçok nokta kusuruna merkez denir: örneğin, birçok iyonik katıdaki bir boşluğa lüminesans merkezi, renk merkezi veya F merkezi denir . Bu dislokasyonlar, elektrokimyasal reaksiyonlara yol açan kristaller aracılığıyla iyonik taşınmaya izin verir. Bunlar sıklıkla Kröger-Vink notasyonu kullanılarak belirtilir.

Boşluk

Bir boşluk basit kristal kusurdur. Bu, herhangi bir model, atom içermeyen bir ağ sitesidir. Ağın ağ örgüsünde kristalin bir birimin (bir atom) bulunmamasından kaynaklanır. Boşlukların varlığı 1926'da Frenkel tarafından tahmin edildi . Atom, ağdaki bir düğümü terk ettiğinde iki boşluk oluşumu mekanizması vardır. İlk durumda atom, malzemenin yüzeyine / dışına doğru hareket eder, bu tür kusurlara "Schottky hatası" denir. "

Geçiş reklamları

Geçiş kusurları kristal kafesinin boş alanlarda konumlandırılmış atomlarıdır. Eklenen atom, ağları oluşturan atomlarla aynı doğaya sahipse, o zaman bir otomatik interstisyel kusurdan söz ederiz.

Bilinen bir yapıya sahip metallerdeki çoğu otomatik geçiş reklamı, iki atomun aynı kafes bölgesini paylaştığı, her iki atomun kütle merkezinin genellikle kafes bölgesinde olduğu ve simetrik olarak yer değiştirdiği bir "ortak" yapıya sahiptir. ağın ana yönü. Örneğin, bakır, nikel ve platin gibi birkaç yüz merkezli kübik metalde (cfc), kendi kendine geçiş yapısının temel durum yapısı, iki atomun pozitif ve ağ sitesine göre negatif yön [100]. Merkezlenmiş kübik demirde (cc), temel durum geçiş yapısı da paylaşılan bir geçiş yapısıdır [110]. Bu paylaşılan geçişler, genellikle halter geçiş reklamı olarak adlandırılır, çünkü geçişi oluşturan iki atomun iki büyük küre ile grafiksel gösterimi ve bunları birbirine bağlayan kalın bir çizgi, yapıyı bir dambıl cihazına benzetir.

bir geçiş kristal türü ve ilişkili boşluk arasındaki ilişki bir Frenkel kusurudur , İkincisi iyonik katılarda görülür (örneğin: ZnS, AgBr, AgCl), en küçük çapa sahip iyon bir ara pozisyonda kalır ve genellikle Daha küçük bir yarıçapa sahip olduğu için hareket eden katyon. Frenkel kusuru , kristalin yoğunluğundaki veya ağırlığındaki herhangi bir değişikliğe katkıda bulunmaz, sadece kristalin içine bir iyon göçünü içerir.
topolojik kusurlar bunlar, kristaldeki kimyasal bağ ortamının kristaldeki normal ortamdan farklı olduğu bölgelerdir, örneğin mükemmel haldeki tek grafit levha altı atomlu bir halkadır, ancak yedi halka ve beş halkaya sahip olabilir. Aynı toplam atom sayısını korurken, bu tek yaprakların topografyasında bir değişiklik yaratır.

Dışsal kusurlar: yerleştirme veya ikame

Kristaller saf değildir, her zaman kusur olarak kabul edilen safsızlıklar vardır. Bir atom, kafesi oluşturan atomlardan farklı bir yapıya sahipse, bu dışsal bir kusurdur.

Böylelikle katışkılar, ara veya ikame olmak üzere iki şekilde eklenebilir. Atom yarıçapına ve atomun kimyasal özelliklerine bağlıdır . Genel olarak, ara eklemedeki bir safsızlık daha küçük bir atom olacaktır (kafesi oluşturan atomun boyutunun yaklaşık% 45'i). İkame safsızlıklar durumunda, yabancı atom, kafesi oluşturan atomlarla aynı boyuttadır (yaklaşık% 15'e yakın atomik yarıçap), böylece onları kafesin bir yerinde değiştirebilir. Bunun gerçekleşmesi için, safsızlıkların tüm kristali oluşturan elemente kimyasal olarak eşdeğer olması gerekir.

Doğrusal hatalar

Doğrusal kusurlara dislokasyon denir . Bunlar 1. boyut kusurlarıdır, yani kusurların genişliği kristalin boyutlarına göre çok küçüktür.

1D kusurun ana türü dislokasyondur. Doğrusal kusurların elastik alanlarını tanımlayan teori, ilk olarak 1907'de Vito Volterra tarafından geliştirildi , ancak atomik bir kusur için "dislokasyon" terimi 1934'te GI Taylor tarafından icat edildi . Bir dislokasyon , kristal yapının organizasyonundaki bir süreksizliğe karşılık gelen doğrusal bir kusurdur. Üç tür çıkık vardır: kama çıkıkları, vida çıkıkları ve karışık çıkıklar.

Kenar çıkık mükemmel yapısı içerisine yerleştirilmiş olan bir ilave atom yarı düzlem olarak kabul edilebilir. Kristal yapının bir tarafına yeterli kuvvet uygulandığında, bu ekstra düzlem, ayrılan ve daha sonra tane sınırına ulaşana kadar bir araya gelen atom düzlemlerinden geçer. Dislokasyonun iki özelliği vardır: ek yarı düzlemin kenarına karşılık gelen yön olan bir çizgi yönü ve kafesin bozulmasının büyüklüğünü ve yönünü tanımlayan Burgers vektörü . Bir kama çıkığında, Burgers vektörü çizginin yönüne diktir.

Bir kama çıkığının neden olduğu gerilmeler, doğal asimetrisi nedeniyle karmaşıktır. Bu kısıtlamalar üç denklemle açıklanır:

${\ displaystyle \ sigma _ {xx} = {\ frac {- \ mu b} {2 \ pi (1- \ nu)}} {\ frac {y (3x ^ {2} + y ^ {2})} {(x ^ {2} + y ^ {2}) ^ {2}}}}$

${\ displaystyle \ sigma _ {yy} = {\ frac {\ mu b} {2 \ pi (1- \ nu)}} {\ frac {y (x ^ {2} -y ^ {2})} { (x ^ {2} + y ^ {2}) ^ {2}}}}$

${\ displaystyle \ tau _ {xy} = {\ frac {\ mu b} {2 \ pi (1- \ nu)}} {\ frac {x (x ^ {2} -y ^ {2})} { (x ^ {2} + y ^ {2}) ^ {2}}}}$

μ malzemenin kayma modülü , b Burgers vektörü , ν Poisson oranı ve x ve y koordinatlardır.

Bir vida çıkığını görselleştirmek çok daha zordur. Bir düzlem boyunca bir kristali kestiğimizi ve ağın bir vektörüne göre bir yarısını diğerinin üzerine kaydırdığımızı, sonra iki parçayı bir kusur bırakmadan birbirine uydurduğumuzu hayal edelim. Kesik kristalden sadece kısmen geçerse ve sonra kayarsa, kesme sınırı vida dislokasyonudur. Bu, kristal kafesin atomik düzlemleri tarafından doğrusal kusur (dislokasyon çizgisi) etrafına sarmal bir yolun çizildiği bir yapı ile sonuçlanır. Bu tür bir dislokasyonun resimli bir temsili, spiral şeklinde dilimlenmiş bir jambon olabilir. Saf vida çıkıklarında, Burgers vektörü çizginin yönüne paraleldir.

Görselleştirmenin zorluğuna rağmen, vida çıkığının yarattığı gerilmeler, kama çıkığına göre daha az karmaşıktır. Bu kısıtlamaların ifadesi yalnızca bir denklem gerektirir, simetri tek bir radyal koordinatın kullanılmasına izin verir:

${\ displaystyle \ tau _ {r} = {\ frac {- \ mu b} {2 \ pi r}}}$

μ, malzemenin kayma modülü , b, Burgers vektörü ve r, radyal bir koordinattır. Bu denklem, silindirin merkezinden çıkan ve mesafe ile azalan uzun bir gerilim silindirini temsil eder. Bu basit modelin r = 0'da çıkığın kalbi için sonsuz bir değere yol açtığı ve bu nedenle sadece çıkığın kalbi dışındaki stresler için geçerli olduğu unutulmamalıdır. Burgers vektörü çok büyükse, silikon karbürde yaygın olarak görüldüğü gibi çekirdek aslında boş olabilir ve bir mikro boru oluşturabilir .

Kristalde bir dislokasyon hareket ettiğinde deformasyon meydana gelir. Metalik malzemelerin karakteristik işlenebilirliğine yol açan çıkıkların varlığıdır.

Düzlemsel kusurlar

Düzlemsel kusurlar iki boyutlu kusurlardır. Esas olarak tahıl sınırlarını, istifleme kusurlarını, faz karşıtı düzlemleri ve ikizleri birbirinden ayırıyoruz.

Tahıl mühürler

Malzemelerin çoğu polikristalindir , bu da tahıl adı verilen birçok ayrı mikroskobik kristalden oluştuğu anlamına gelir. Bu tanelerin birbirlerine göre yönelimleri rastgeledir.

Bir içinde homojen malzeme , iki komşu kristaller aynı olan kristal kafes farklı yönlendirme ile. Kristaller arasındaki sınıra " tane sınırı " denir . Burada yeşille temsil edildiğini görüyoruz, turuncu kristal ile mavi kristal arasındaki temas düzlemi. Tane sınırı, atomların düzenli kaldığı, ancak yönelim bozukluğuna uyum sağladığı bir düzlemdir. Bu duvarın kalınlığı, kristalin boyutlarına ve ağ parametrelerine göre çok küçüktür. Genel olarak, bu kusur, birini oluşturmak için bir araya gelen iki kristalin büyümesi sırasında ortaya çıkar. Bu fenomen birleşme olarak adlandırılır .

Bir suşun bir katı boyunca hareketi, tane sınırlarında durma eğilimindedir. Bu nedenle, istenen mekanik özelliklerin elde edilmesi için katılarda tane boyutunun kontrolü gereklidir. İnce taneli malzemeler genellikle iri taneli malzemelerden çok daha güçlüdür.

Yığın Hatası

İstifleme kusurları tüm kristallerde çok yaygındır. Bir kristal, ABCABCABC dizisine sahip A, B ve C atomlarının düzlemlerinden oluşuyorsa, bu kusur, düzlemlerin değişimindeki bir anormalliğe (ek düzlem veya eksik düzlem) karşılık gelir. Yığınlama hatası örneğin ABCABCACAB dizisini temsil edebilir, aslında burada B düzlemi eksiktir.

Antiphase düzlemi

Bu kusurlar genellikle sıralı alaşımlarda bulunur. Kristalografik yönde bir değişiklik yoktur , ancak atomik düzlemlerin sırası değişecek ve bu düzlemin her birinin fazları zıt olacaktır.

Örneğin, kompakt altıgen yapının bir alaşımında, atomik düzlemlerin dizisi ABABABAB'dir, bir antifaz düzlemi ile, ABABBABA zincirine sahibiz.

Macle

İkiz kristaller olan oryantasyonu birbirine göre bir simetri işlemi iki veya daha fazla aynı kristallerinin bir gruptur.

Farklı ikiz türleri vardır:

yansıma ile ikiz
ters çevirme yoluyla ikiz
rotasyonla ikiz

Hacim kusurları

Bir yüzey , iki boyutta olmasına rağmen, bir voluminal kusurdur. Aslında, kristalin periyodik ağının kesintiye uğramasına (üç boyutta) karşılık gelir.

Gözenekler konuda "kabarcıklar" dir. Bu, boşlukların yoğunlaşmasıyla elde edilen vakum boşlukları olabilir. Gerçekten de, kristal birçok boş yer içeriyorsa, dağılır ve boş bir boşluk oluşturmak için yeniden gruplanır. Gözenekler ayrıca gaz içerebilir, ancak düşük basınç altında.

Bir çökelti , tüm kristalinkinden farklı bir heterojen ve azınlık fazdır. Bunlar, bir (kristalin) fazın diğerine dahil edilmesiyle oluşur. Genellikle bir difüzyon işlemiyle iki veya daha fazla elementin karışımı halinde oluşturulurlar . Oluşumu üç ana aşamada gerçekleşir: çimlenme, büyüme ve birleşme .

Kröger-Vink gösterimi

Kröger-Vink gösterimi , bir kimyasal türün nokta kusurlarını temsil etmeyi mümkün kılar.

Bir boşluk şununla temsil edilir: V a b , ile:

V, boşluk anlamına gelen boşluk için.

a, boşlukta eksik atom.
b = × veya 'veya • . Boşluk ile eksik atom arasındaki yük farkına bağlıdır.

Fark sıfır ise, × ; olumlu ise, • ; ve eğer negatifse, '.

Örneğin, NaCl kristalinde, Schottky kusurlu reaksiyon denklemi yazılır: ∅ → V Na ′ + V Cl • .

Geçiş reklamındaki bir atom, A i b ile temsil edilir:

A, atomun adı
i, geçiş konumunda olduğunu belirtmek için
b = × veya 'veya • .

Aynı NaCl kristalini alıyoruz, Frenckel kusurlu reaksiyon denklemi yazılıyor: Na Na × → Na i • + V Na ′

Karakterizasyon yöntemleri

Mevcut yöntemler, esas olarak nokta kusurlarını karakterize etmeyi mümkün kılmaktadır . Hatalar yerel bozukluklar olduğundan, karakterizasyon yöntemleri yerel tekniklerdir. Kullanılan ana yöntemler aşağıdaki gibidir:

By atomik kuvvet mikroskobu . Bu yöntem, analiz edilen numunenin topografyasını yani yüzeyini gözlemlemeyi mümkün kılar. Bu nedenle, yalnızca yüzeyde iseler kristalde mevcut olan nokta kusurlarının bir temsiline sahip olmayı mümkün kılar.
By Röntgen difraktogramla- .
By MET . Transmisyon Elektron Mikroskobu, dislokasyonlar gibi yüzey ve doğrusal kusurları görselleştirmeyi mümkün kılar.
By pozitron imha
Tarafından tarama transmisyon elektron mikroskobu (metB) ile bağlanmıştır enerji kaybı spektroskopisi .

Ayrıca görün

İlgili Makaleler

Referanslar

J. Hong , Z. Hu , M. Probert , K. Li , D. Lv , X. Yang , L. Gu , N. Mao , Q. Feng , L. Xie , J. Zhang , D. Wu , Z . Zhang , C Jin , W. Ji , X. Zhang , J. Yuan ve Z. Zhang, " molibden disülfit tek tabakalar atom kusurları keşfetmek " Doğa İletişim , vol. 6,2015, s. 6293 ( PMID 25695374 , PMCID 4346634 , DOI 10.1038 / ncomms7293 , Bibcode 2015NatCo ... 6E6293H , çevrimiçi okuyun )
" Defects in crystals " ( 27 Şubat 2019'da erişildi )
(de) Ehrhart P., Metaller ve alaşımlardaki atomik kusurların özellikleri ve etkileşimleri , Berlin, Springer,1991, Landolt-Börnstein'ın 25. cildi, Yeni Seri III, bölüm 2, s. 88
(inç) James H.Crawford, Point Defects in Solids , New York, Plenum Press,1975
" Defects in Crystals " , www.tf.uni-kiel.de (erişim tarihi 27 Şubat 2019 )
JI Frenkel, Z. Phys. 35, 652 (1926).
C. Wagner ve W. Schottky, Z. phys. Chem. 11, 163 (1930)
Sean Bailly , " Topology inspires the design of new laser " , Pourlascience.fr'de (erişim tarihi 27 Şubat 2019 )
(in) " 12.4: Kristallerde Kusurlar " , Chemistry LibreTexts üzerinde ,Kasım 24, 2013(erişim tarihi 27 Şubat 2019 )
Vito Volterra (1907) "Çok yönlü ilişkili elastik cisimlerin dengesi üzerine", Scientific Annals of the École Normale Supérieure, Cilt. 24, p. 401–517
GI Taylor (1934). "Kristallerin Plastik Deformasyon Mekanizması. Bölüm I. Teorik". Londra Kraliyet Cemiyeti Bildirileri. Seri A. 145 (855): 362–87. Bibcode: 1934RSPSA.145..362T. doi: 10.1098 / rspa.1934.0106. JSTOR 2935509.
(en) RE Reed-Hill, Fiziksel Metalurji Prensipleri ,1994( ISBN 0-534-92173-6 )
J. Ayache, M. Gasgnier, L. Toghrai, J. Sabras, " Yarı izostatik gerilim altında sinterlenmiş YBa2Cu3O7-x'te genişletilmiş kusurların karakterizasyonu ", karakterizasyon ,1 st Ocak 1990
" Crystal defects " ( 18 Aralık 2018'de erişildi )
(en) J. Hu, YN Shi, X. Wild, G. Sha ve K. Lu, " Tane Sınırı kararlılığı Son derece ince nanograined metallerde sertleşmeyi ve yumuşamayı yönetir. " , Bilim ,Mart 24, 2017( çevrimiçi okuyun )
Bernard Capelle, " İkizler ve çıkıklar: bazen güzel ve faydalı kusurlar " ( 13 Kasım 2018'de erişildi )
" Düşük karbonlu çeliklerde niyobyum karbür ve bakır çökelmesinin karakterizasyonu ve modellemesi " , HAL üzerinde ,11 Kasım 2004(erişim tarihi: 17 Aralık 2018 )
Marie-France BARTHE ve Catherine CORBEL , " Pozitron yok oluşu ile laküner kusurların karakterizasyonu " , Ref: TIP630WEB - "Analiz teknikleri" ,10 Mart 2003(erişim tarihi 27 Şubat 2019 )