결정학적 결함

Crystallographic defect
이황화몰리브덴 단층 내 조건(a, Mo 대체물)과 공실(b, 누락된 S 원자)의 전자현미경법.스케일 바: 1 nm.[1]

결정학적 결함은 결정성 고체에서 규칙적인 패턴의 간섭이다.주기적인 결정 구조를 나타내는 결정에서 단위 셀 매개변수에 의해 결정되는 고정된 거리를 반복하는 원자 또는 분자의 위치가 보통 [2][3][4][5]불완전하기 때문에 일반적입니다.

점결함

점 결점은 단일 격자점 또는 그 주변에서만 발생하는 결점입니다.그것들은 어떤 차원에서도 공간 내에 확장되지 않습니다.점 결점이 얼마나 작은지에 대한 엄격한 한계는 일반적으로 명시적으로 정의되지 않습니다.그러나 이러한 결함은 일반적으로 몇 개의 추가 원자 또는 누락된 원자를 포함합니다.순서가 있는 구조의 큰 결점은 보통 전위 루프로 간주됩니다.역사적 이유로, 특히 이온 결정에서 많은 점 결점을 중심이라고 부릅니다. 예를 들어, 많은 이온 고체에서 빈 공간을 발광 중심, 색 중심 또는 F-중심이라고 합니다.이러한 전위는 전기화학적 반응을 유도하는 결정을 통한 이온 이동을 가능하게 합니다.이들은 자주 Kröger-Vink 표기법을 사용하여 지정됩니다.

  • 공실 결점은 완벽한 결정에서 점유되지만 비어 있는 격자 사이트입니다.인접한 원자가 빈 부지를 차지하기 위해 이동하면 이동 중인 원자가 점유하던 부지와 반대 방향으로 공극이 이동한다.주변 결정 구조의 안정성은 인접한 원자들이 단순히 공허 주변에서 붕괴되지 않는다는 것을 보장한다.어떤 물질에서는 주변 원자가 주변 원자의 흡인력을 경험하기 때문에 실제로 빈칸에서 멀어집니다.빈자리(또는 이온성 고체의 빈자리 쌍)를 숏키 결점이라고 부르기도 합니다.
  • 중간결함은 보통 원자가 없는 결정구조의 부지를 차지하는 원자입니다.일반적으로 고에너지 구성입니다.일부 결정의 작은 원자(대부분의 불순물)는 팔라듐의 수소와 같이 높은 에너지 없이 틈새를 차지할 수 있습니다.
단원자 고체에서 일부 단순한 점 결점 유형의 개략도
  • 빈칸과 간극의 가까운 쌍을 흔히 Frenkel 결점 또는 Frenkel 쌍이라고 합니다.이것은 이온이 인터스티셜 사이트로 이동하여 빈자리를 만들 때 발생합니다.

  • 재료 정제 방법의 근본적인 한계로 인해 재료는 100% 순수하지 않으며, 이는 결정 구조의 결함을 유발한다.불순물의 경우 원자는 결정구조의 정규 원자부위에 포함되는 경우가 많다.이것은 빈 사이트도 아니고, 간질 사이트상의 원자도 아니고, 치환 결함이라고 불립니다.원자는 결정의 어디에도 있어서는 안 되며, 따라서 불순물입니다.치환 원자(이온)의 반지름이 치환 원자(이온)의 반지름보다 상당히 작은 경우에 평형 위치가 격자 부위에서 멀어질 수 있다.이러한 유형의 치환적 결함을 종종 오프센터 이온이라고 합니다.대체 결함에는 다음 두 가지 유형이 있습니다.등가 치환 및 지방치환.등가 치환이란 원래 이온을 치환하는 이온이 치환하는 이온과 동일한 산화 상태를 갖는 것을 말합니다.지방가 치환이란 원래 이온을 치환하는 이온이 치환하는 이온과 다른 산화 상태를 갖는 것을 말합니다.지방산 치환기는 이온 화합물 내의 전체 전하를 변화시키지만 이온 화합물은 중성이어야 한다.따라서 전하 보상 메커니즘이 필요합니다.따라서 금속 중 하나가 부분적으로 또는 완전히 산화 또는 환원되거나 이온 공실이 생성된다.
  • 서로 다른 유형의 원자가 교환될 때 순서가 있는 합금 또는 화합물에서 안티사이트[6][7] 결함이 발생합니다.예를 들어, 일부 합금은 다른 모든 원자가 다른 종인 규칙적인 구조를 가지고 있습니다. 예를 들어, A형 원자는 입방체 격자의 모서리에 있고 B형 원자는 입방체 중심에 있다고 가정합니다.만약 한 입방체의 중심에 A 원자가 있다면, 그 원자는 보통 B 원자가 차지하고 있는 부위에 있기 때문에 반조건적 결함이다.이것은 빈자리도 아니고, 간극도 아니고, 불순물도 아니다.
  • 위상결함이란 정상적인 화학적 결합환경이 주변과 위상적으로 다른 결정의 영역을 말합니다.예를 들어, 완벽한 흑연 시트(그래핀)에서 모든 원자는 6개의 원자가 포함된 고리 안에 있습니다.시트에 원자의 수가 6과 다른 영역이 포함되어 있고, 원자의 총수는 동일하면 위상적인 결함이 발생한 것이다.예를 들어 나노튜브의 스톤웨일스 결손은 인접한 2개의 5원자 고리와 2개의 7원자 고리로 구성됩니다.
GaAs를 예로 들어 복합 고체의 결점을 개략적으로 설명합니다.
  • 비정질 고체에도 결함이 있을 수 있습니다.이것들은 당연히 정의하기 어렵지만, 때때로 그 본질을 꽤 쉽게 이해할 수 있다.예를 들어 이상결합 아모르퍼스 실리카는 모든 Si 원자가 O 원자에 4결합, 모든 O 원자가 Si 원자에 2결합을 가진다.따라서 예를 들어 Si 결합(매달린 결합)이 1개뿐인 O 원자는 [8]실리카의 결함으로 간주할 수 있다.또한 결점은 비어 있거나 밀집된 국소 원자 근방에 기초한 비정질 고체에서도 정의될 수 있으며, 이러한 '결함'의 특성은 [9][10][11]결정의 정상적인 빈 공간 및 간극물과 유사함을 나타낼 수 있다.
  • 여러 종류의 점 결점 사이에 복합체가 형성될 수 있습니다.예를 들어, 빈 공간에 불순물이 있는 경우, 그 불순물이 격자에 비해 너무 크면 두 불순물이 서로 결합할 수 있습니다.인터스티셜은 두 원자가 효과적으로 원자 부지를 공유하는 '분할 간극' 또는 '덤벨' 구조를 형성할 수 있으며, 그 결과 어느 원자도 실제로 그 [12][13]부지를 점유하지 않는다.

라인 결함

라인 결함은 게이지 이론으로 설명할 수 있습니다.

전위는 결정 격자의 원자가 잘못 [14]정렬된 선형 결함입니다.전위에는 가장자리 전위와 나사 전위의 두 가지 기본 유형이 있습니다.두 가지 유형의 측면을 결합한 "혼합" 전위도 흔하다.

엣지 전위가 표시됩니다.탈구선은 파란색으로 표시되고 버거스 벡터 b는 검은색으로 표시됩니다.

가장자리 전위는 결정의 중간에 있는 원자 평면의 종단에 의해 발생합니다.이 경우 인접한 평면은 직선상이 아니라 종단면의 가장자리를 중심으로 구부려 결정구조가 어느 한쪽으로도 완벽하게 정렬되도록 한다.종이 더미와의 유추는 적절합니다.용지 더미에 종이 반쪽을 삽입했을 경우, 종이 반쪽 끝에만 종이 더미의 결점이 눈에 띕니다.

나사 전위는 시각화하기 어렵지만 기본적으로 결정 격자에 있는 원자의 원자 평면에 의해 선형 결함(전위 선)을 중심으로 나선 경로가 추적되는 구조로 구성됩니다.

전위가 있으면 격자 변형(왜곡)이 발생합니다.이러한 왜곡의 방향과 크기는 버거 벡터(b)로 표현된다.가장자리 유형의 경우 b는 전위선에 수직인 반면 나사 유형의 경우 평행입니다.금속재료에서 b는 밀착결정학적 방향에 따라 배열되며 그 크기는 원자간 간격 1개와 같다.

주변 평면 중 하나의 원자가 결합을 끊고 끝 가장자리에서 원자와 다시 결합하면 전위는 이동할 수 있습니다.

전위의 존재와 금속 재료의 특징적인 가단성으로 이어지는 외부 하중에 의해 유발되는 응력의 영향 하에서 쉽게 이동(및 상호작용)하는 능력이다.

전위는 투과전자현미경법, 전계이온현미경법 및 원자프로브 기술을 사용하여 관찰할 수 있습니다.심층 과도 분광법은 주로 실리콘 반도체에서 전위의 전기적 활동을 연구하기 위해 사용되어 왔다.

원반은 선 주위의 각도를 "추가" 또는 "감산"하는 것에 대응하는 선 결점입니다.이는 기본적으로 선 결점 주변의 결정 방향을 추적하면 회전이 발생한다는 것을 의미합니다.통상, 그것들은 액정에서만 역할을 하는 것으로 생각되었지만, 최근의 개발은 [15]균열이 자가 치유되는 등 고체 물질에서도 역할을 할 수 있다는 것을 시사한다.

평면 결함

스태킹 결함 발생원: 밀착된 크리스탈의 스태킹 시퀀스가 다릅니다.
  • 입자의 경계는 격자의 결정학적 방향이 갑자기 바뀌는 곳에서 발생합니다.이것은 보통 두 개의 결정체가 따로 자라기 시작할 때 발생한다.
  • 역위상 경계는 순서 합금에서 발생합니다.이 경우 결정학적 방향은 동일하지만 경계의 각 면은 반대 위상을 가집니다.예를 들어, 주문이 보통 ABAB인 경우ABAB(육각형 밀착 결정), 역위상 경계는 ABABB의 형태를 취합니다.ABA.
  • 스태킹 폴트는 많은 크리스털 구조에서 발생하지만, 일반적인 예는 밀착 구조에서 발생합니다.이것들은 결정의 층의 층의 국소적 편차에 의해 형성된다.예를 들어 ABABCAB 스태킹시퀀스가 있습니다
  • 쌍둥이 경계는 결정의 순서로 거울 대칭면을 도입하는 결점이다.예를 들어, 입방정밀 결정의 경우, 쌍둥이 경계의 적층 시퀀스는 ABCABCBACBA가 됩니다.
  • 단결정 평면에서는 원자적으로 평평한 계단 사이의 계단도 평면 결함으로 간주될 수 있습니다.이러한 결함과 그 기하학이 유기[16] 분자의 흡착에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.

벌크 결함

  • 모공, 균열, 포함물 등 3차원 거시적 또는 벌크 결함
  • 빈 공간 - 원자가 없는 작은 영역이며 빈 공간 클러스터로 간주할 수 있습니다.
  • 불순물은 서로 다른 상으로 이루어진 작은 영역을 형성하기 위해 뭉칠 수 있습니다.이것들은 종종 침전물이라고 불린다.

수학적 분류법

물리 격자 결함에 대한 성공적인 수학적 분류 방법은 결정의 전위 이론 및 기타 결함에 대한 이론뿐만 아니라, 예를 들어 액정의 디슬라이닝 및 초유체 He의 들뜸에 대해서도 작동하는 위상학적 호모토피 [17]이론이다.

컴퓨터 시뮬레이션 방법

밀도 함수 이론, 고전 분자 역학 및 운동학적[18] 몬테카를로 시뮬레이션은 컴퓨터 [9][10][11][19][20][21][22]시뮬레이션을 통해 고체의 결함 특성을 연구하기 위해 널리 사용됩니다.루바체프스키-스틸링거 알고리즘을 사용하여 크기가 다른 하드 구 및/또는 컨테이너에서 교란을 시뮬레이션하는 것은 결정학적 [23]결함의 일부 유형을 입증하는 데 효과적인 기술이 될 수 있다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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