Falha de empilhamento - Stacking fault
Na cristalografia , uma falha de empilhamento é um defeito planar que pode ocorrer em materiais cristalinos. Os materiais cristalinos formam padrões repetidos de camadas de átomos. Erros podem ocorrer na sequência dessas camadas e são conhecidos como falhas de empilhamento. As falhas de empilhamento estão em um estado de energia superior, que é quantificado pela entalpia de formação por unidade de área, chamada energia de falha de empilhamento . Falhas de empilhamento podem surgir durante o crescimento do cristal ou de deformação plástica. Além disso, os deslocamentos em materiais de baixa energia de falha de empilhamento normalmente se dissociam em um deslocamento estendido , que é uma falha de empilhamento limitada por deslocamentos parciais .
O exemplo mais comum de falhas de empilhamento é encontrado em estruturas de cristal compactadas. As estruturas cúbicas centradas na face (fcc) diferem das estruturas hexagonais compactadas (hcp) apenas na ordem de empilhamento: ambas as estruturas têm planos atômicos compactados com simetria sêxtupla - os átomos formam triângulos equiláteros. Ao empilhar uma dessas camadas sobre a outra, os átomos não ficam diretamente uns sobre os outros. As duas primeiras camadas são idênticas para hcp e fcc e rotuladas como AB. Se a terceira camada for colocada de forma que seus átomos fiquem diretamente acima dos da primeira camada, o empilhamento será ABA - esta é a estrutura hcp, e continua ABABABAB. No entanto, há outra localização possível para a terceira camada, de modo que seus átomos não fiquem acima da primeira camada. Em vez disso, são os átomos da quarta camada que estão diretamente acima da primeira. Isso produz o empilhamento ABCABCABC, que está na direção [111] de uma estrutura cristalina cúbica. Nesse contexto, uma falha de empilhamento é um desvio local de uma das sequências de empilhamento compactadas para a outra. Normalmente, apenas interrupções de uma ou duas ou três camadas na sequência de empilhamento são chamadas de falhas de empilhamento. Um exemplo da estrutura fcc é a sequência ABCABABCAB.
Formação de falhas de empilhamento no cristal FCC
As falhas de empilhamento são defeitos planos bidimensionais que podem ocorrer em materiais cristalinos. Eles podem ser formados durante o crescimento do cristal, durante a deformação plástica à medida que deslocamentos parciais se movem como resultado da dissociação de um deslocamento perfeito, ou por condensação de defeitos pontuais durante a deformação plástica de alta taxa. O início e o fim de uma falha de empilhamento são marcados por deslocamentos parciais de linha, como um deslocamento parcial da borda. Deslocamentos de linha tendem a ocorrer no plano compactado mais próximo na direção compactada mais próxima. Para um cristal FCC, o plano compactado mais próximo é o plano (111), que se torna o plano de deslizamento, e a direção compactada mais próxima é a direção [110]. Portanto, um deslocamento de linha perfeito em FCC tem o vetor hambúrgueres ½ <110>, que é um vetor translacional.
A divisão em dois deslocamentos parciais é favorável porque a energia de um defeito de linha é proporcional ao quadrado da magnitude do vetor do hambúrguer. Por exemplo, um deslocamento de borda pode se dividir em dois deslocamentos parciais de Shockley com vetor de hambúrguer de 1/6 <112>. Essa direção não é mais a direção compactada mais próxima e, como os dois vetores do hambúrguer estão a 60 graus um em relação ao outro para completar um deslocamento perfeito, os dois deslocamentos parciais se repelem. Essa repulsão é uma consequência dos campos de estresse ao redor de cada deslocamento parcial afetando o outro. A força de repulsão depende de fatores como módulo de cisalhamento, vetor do hambúrguer, coeficiente de Poisson e distância entre os deslocamentos.
À medida que os deslocamentos parciais se repelem, é criada uma falha de empilhamento no meio. Por ser uma falha de empilhamento um defeito, ele tem uma energia mais alta do que a de um cristal perfeito, então atua para atrair novamente os deslocamentos parciais. Quando esta força atrativa equilibra a força repulsiva descrita acima, os defeitos estão em estado de equilíbrio.
A energia de falha de empilhamento pode ser determinada a partir da largura da dissociação de deslocamento usando
onde e são os vetores de hambúrgueres e é a magnitude do vetor para os deslocamentos parciais dissociados, é o módulo de cisalhamento e a distância entre os deslocamentos parciais.
Falhas de empilhamento também podem ser criadas por deslocamentos parciais de Frank com vetor de hambúrguer de 1/3 <111>. Existem dois tipos de falhas de empilhamento causadas por deslocamentos parciais de Frank: intrínsecos e extrínsecos. Uma falha de empilhamento intrínseca se forma por aglomeração de vacância e há um plano ausente com a sequência ABCA_BA_BCA, onde BA é a falha de empilhamento. Uma falha de empilhamento extrínseca é formada a partir da aglomeração intersticial, onde existe um plano extra com a sequência ABCA_BAC_ABCA.
Visualizando falhas de empilhamento usando microscopia eletrônica
Falhas de empilhamento podem ser visualizadas usando microscopia eletrônica. Uma técnica comumente usada é a microscopia eletrônica de transmissão (TEM). O outro é a imagem de contraste por canalização de elétrons (ECCI) em microscópio eletrônico de varredura (MEV).
Em um SEM, defeitos próximos à superfície podem ser identificados porque o rendimento de elétrons retroespalhados difere nas regiões de defeito onde o cristal é tensionado, e isso dá origem a contrastes diferentes na imagem. A fim de identificar a falha de empilhamento, é importante reconhecer a condição de Bragg exata para certos planos de rede na matriz de modo que regiões sem defeitos detectem poucos elétrons retroespalhados e, assim, pareçam escuras. Enquanto isso, as regiões com a falha de empilhamento não irão satisfazer a condição de Bragg e, portanto, produzirá grandes quantidades de elétrons retroespalhados e, portanto, aparecerão brilhantes na imagem. Inverter o contraste fornece imagens em que a falha de empilhamento aparece escura no meio de uma matriz clara.
Em um TEM, a imagem de campo claro é uma técnica usada para identificar a localização de falhas de empilhamento. A imagem típica da falha de empilhamento é escura com franjas brilhantes perto de um limite de grão de baixo ângulo, imprensada por deslocamentos no final da falha de empilhamento. As franjas indicam que a falha de empilhamento está inclinada em relação ao plano de visualização.
Falhas de empilhamento em semicondutores
Muitos semicondutores compostos , por exemplo, aqueles que combinam elementos dos grupos III e V ou dos grupos II e VI da tabela periódica, cristalizam nas estruturas de cristal de zincblenda fcc ou wurtzita hcp . Em um cristal semicondutor, as fases fcc e hcp de um determinado material geralmente terão energias de gap diferentes . Como consequência, quando a fase de cristal de uma falha de empilhamento tem um gap menor do que a fase circundante, ela forma um poço quântico , que em experimentos de fotoluminescência leva à emissão de luz em energias mais baixas (comprimentos de onda mais longos) do que para o cristal em massa. No caso oposto (maior gap na falha de empilhamento), constitui uma barreira de energia na estrutura de banda do cristal que pode afetar o transporte de corrente em dispositivos semicondutores.