Defeito intersticial - Interstitial defect

Os átomos intersticiais (azul) ocupam alguns dos espaços dentro de uma rede de átomos maiores (vermelho)

Um defeito intersticial é um tipo de defeito cristalográfico pontual em que um átomo do mesmo ou de um tipo diferente ocupa um local normalmente desocupado na estrutura cristalina . Quando o átomo é do mesmo tipo que os já presentes, eles são conhecidos como defeito autointersticial . Alternativamente, pequenos átomos em alguns cristais podem ocupar sítios intersticiais, como o hidrogênio no paládio . Os intersticiais podem ser produzidos bombardeando um cristal com partículas elementares com energia acima do limite de deslocamento desse cristal, mas também podem existir em pequenas concentrações no equilíbrio termodinâmico . A presença de defeitos intersticiais pode modificar as propriedades físicas e químicas de um material.

Autointersticiais

Defeitos autointersticiais são defeitos intersticiais que contêm apenas átomos iguais aos já presentes na rede.

Estrutura de autointersticial em alguns metais comuns. O lado esquerdo de cada tipo de cristal mostra o cristal perfeito e o lado direito aquele com defeito.

A estrutura dos defeitos intersticiais foi determinada experimentalmente em alguns metais e semicondutores .

Ao contrário do que se poderia esperar intuitivamente, a maioria dos autointersticiais em metais com uma estrutura conhecida tem uma estrutura "dividida", na qual dois átomos compartilham o mesmo local de rede. Normalmente, o centro de massa dos dois átomos está no local da rede e eles estão deslocados simetricamente a partir dele ao longo de uma das principais direções da rede . Por exemplo, em vários metais cúbicos de face centrada (fcc) comuns, como cobre, níquel e platina, a estrutura do estado fundamental do autointersticial é a estrutura intersticial dividida [100], onde dois átomos são deslocados em um positivo e um negativo [100] direção do local da rede. No ferro cúbico centrado no corpo (bcc), a estrutura intersticial do estado fundamental é similarmente um intersticial dividido [110].

Esses intersticiais divididos costumam ser chamados de intersticiais com halteres, porque traçar os dois átomos que formam o intersticial com duas grandes esferas e uma linha grossa unindo-os faz com que a estrutura se pareça com um dispositivo de levantamento de peso com halteres .

Em outros metais bcc que não o ferro, acredita-se que a estrutura do estado fundamental, com base em cálculos recentes da teoria funcional da densidade, seja o intersticial de multidão, que pode ser entendido como uma longa cadeia (normalmente cerca de 10-20) de átomos ao longo do [ 111] direção da rede, comprimida em comparação com a rede perfeita de forma que a cadeia contenha um átomo extra.

Estrutura do haltere auto-intersticial em silício. Observe que a estrutura do intersticial no silício pode depender do estado da carga e do nível de dopagem do material.

Em semicondutores a situação é mais complexa, uma vez que defeitos podem ser carregados e diferentes estados de carga podem ter diferentes estruturas. Por exemplo, no silício, o intersticial pode ter uma estrutura dividida [110] ou uma estrutura tetraédrica verdadeiramente intersticial.

O carbono, notadamente na grafite e no diamante, tem uma série de autointersticiais interessantes - recentemente descobertos usando cálculos de aproximação de densidade local - é o "espiro-interesticial" na grafite, nomeado após espiropentano , já que o átomo de carbono intersticial está situado entre dois planos e ligados em uma geometria semelhante ao espiropentano.

Intersticiais de impureza

Átomos intersticiais de pequenas impurezas estão geralmente em verdadeiros locais fora da rede entre os átomos da rede. Esses locais podem ser caracterizados pela simetria da posição do átomo intersticial em relação aos átomos da rede mais próximos. Por exemplo, um átomo de impureza I com 4 vizinhos de átomo A de rede mais próximos (em distâncias iguais) em uma rede fcc está em uma posição de simetria tetraédrica e, portanto, pode ser chamado de intersticial tetraédrico.

Os intersticiais com grande impureza também podem estar em configurações intersticiais divididas, juntamente com um átomo de rede, semelhante aos do átomo autointersticial.

Octaédrica (vermelho) e tetraédrico (azul) intersticial poliedros simetria num cúbica de face centrada treliça. O átomo intersticial real idealmente estaria no meio de um dos poliedros.

Efeitos de intersticiais

Os intersticiais modificam as propriedades físicas e químicas dos materiais.

  • Os átomos de carbono intersticiais desempenham um papel crucial nas propriedades e no processamento dos aços, em particular dos aços carbono .
  • Os intersticiais de impureza podem ser usados, por exemplo, para armazenamento de hidrogênio em metais.
  • A estrutura de cristal pode expandir com a concentração de intersticiais de impureza
  • A amorfização de semicondutores como o silício durante a irradiação de íons é frequentemente explicada pelo acúmulo de uma alta concentração de intersticiais levando eventualmente ao colapso da rede à medida que ela se torna instável.
  • A criação de grandes quantidades de intersticiais em um sólido pode levar a um acúmulo significativo de energia, que na liberação pode até levar a acidentes graves em certos tipos antigos de reatores nucleares ( efeito Wigner ). Os estados de alta energia podem ser liberados por recozimento .
  • Pelo menos na rede FCC, os intersticiais têm um grande efeito de amolecimento diaelástico no material.
  • Foi proposto que os intersticiais estão relacionados ao início da fusão e à transição vítrea .

Referências