En cristalografía , una falla de apilamiento es un defecto plano que puede ocurrir en materiales cristalinos. [1] [2] Los materiales cristalinos forman patrones repetitivos de capas de átomos. Pueden ocurrir errores en la secuencia de estas capas y se conocen como fallas de apilamiento. Las fallas de apilamiento se encuentran en un estado de energía más alto que se cuantifica por la entalpía de formación por unidad de área llamada energía de falla de apilamiento . Las fallas de apilamiento pueden surgir durante el crecimiento del cristal o por deformación plástica. Además, las dislocaciones en materiales de baja energía de falla de apilamiento generalmente se disocian en una dislocación extendida , que es una falla de apilamiento limitada por dislocaciones parciales .
El ejemplo más común de fallas de apilamiento se encuentra en estructuras cristalinas compactas. Las estructuras cúbicas centradas en las caras (fcc) difieren de las estructuras hexagonales compactas (hcp) solo en el orden de apilamiento: ambas estructuras tienen planos atómicos compactados con simetría séxtuple: los átomos forman triángulos equiláteros. Cuando se apila una de estas capas sobre otra, los átomos no están directamente uno sobre el otro. Las dos primeras capas son idénticas para hcp y fcc, y están etiquetadas como AB. Si la tercera capa se coloca de manera que sus átomos estén directamente sobre los de la primera capa, el apilamiento será ABA: esta es la estructura hcp, y continúa ABABABAB. Sin embargo, hay otra ubicación posible para la tercera capa, de modo que sus átomos no estén sobre la primera capa. En cambio, son los átomos de la cuarta capa los que están directamente sobre la primera capa. Esto produce el apilamiento ABCABCABC, que está en la dirección [111] de una estructura cristalina cúbica. En este contexto, una falla de apilamiento es una desviación local de una de las secuencias de apilamiento compactas a la otra. Por lo general, solo las interrupciones de una, dos o tres capas en la secuencia de apilamiento se denominan fallas de apilamiento. Un ejemplo de la estructura fcc es la secuencia ABCABABCAB.
Las fallas de apilamiento son defectos planos bidimensionales que pueden ocurrir en materiales cristalinos. Pueden formarse durante el crecimiento del cristal, durante la deformación plástica a medida que las dislocaciones parciales se mueven como resultado de la disociación de una dislocación perfecta, o por condensación de defectos puntuales durante la deformación plástica de alta velocidad. [3] El inicio y el final de una falla de apilamiento están marcados por dislocaciones lineales parciales, como una dislocación de borde parcial. Las dislocaciones lineales tienden a ocurrir en el plano empaquetado más cercano en la dirección de empaquetamiento más cercana. Para un cristal FCC, el plano empaquetado más cercano es el plano (111), que se convierte en el plano de deslizamiento, y la dirección de empaquetamiento más cercana es la dirección [110]. Por lo tanto, una dislocación lineal perfecta en FCC tiene el vector de Burgers ½<110>, que es un vector de traslación. [4]
La división en dos dislocaciones parciales es favorable porque la energía de un defecto lineal es proporcional al cuadrado de la magnitud del vector de Burger. Por ejemplo, una dislocación de borde puede dividirse en dos dislocaciones parciales de Shockley con un vector de Burger de 1/6<112>. [4] Esta dirección ya no está en la dirección de empaquetamiento más cercano, y debido a que los dos vectores de Burger están a 60 grados uno con respecto al otro para completar una dislocación perfecta, las dos dislocaciones parciales se repelen entre sí. Esta repulsión es una consecuencia de los campos de tensión alrededor de cada dislocación parcial que afectan a la otra. La fuerza de repulsión depende de factores como el módulo de corte, el vector de Burger, el coeficiente de Poisson y la distancia entre las dislocaciones. [4]
A medida que las dislocaciones parciales se repelen, se crea una falla de apilamiento entre ellas. Por su naturaleza, la falla de apilamiento es un defecto y tiene una energía mayor que la de un cristal perfecto, por lo que actúa para atraer nuevamente las dislocaciones parciales. Cuando esta fuerza de atracción equilibra la fuerza de repulsión descrita anteriormente, los defectos se encuentran en un estado de equilibrio. [4]
La energía de falla de apilamiento se puede determinar a partir del ancho de disociación de dislocación utilizando [4]
donde y son los vectores de Burgers y es la magnitud del vector para las dislocaciones parciales disociadas, es el módulo de corte y la distancia entre las dislocaciones parciales.
Las fallas de apilamiento también pueden ser creadas por dislocaciones parciales de Frank con un vector de Burger de 1/3<111>. [4] Hay dos tipos de fallas de apilamiento causadas por dislocaciones parciales de Frank: intrínsecas y extrínsecas. Una falla de apilamiento intrínseca se forma por aglomeración de vacantes y hay un plano faltante con secuencia ABCA_BA_BCA, donde BA es la falla de apilamiento. [5] Una falla de apilamiento extrínseca se forma a partir de una aglomeración intersticial, donde hay un plano adicional con secuencia ABCA_BAC_ABCA. [5]
Las fallas de apilamiento se pueden visualizar mediante microscopía electrónica. [6] Una técnica comúnmente utilizada es la microscopía electrónica de transmisión (MET). La otra es la imagen de contraste por canalización de electrones (ECCI) en el microscopio electrónico de barrido (SEM).
En un microscopio electrónico de barrido (SEM), los defectos cercanos a la superficie se pueden identificar porque la cantidad de electrones retrodispersados difiere en las regiones defectuosas donde el cristal está deformado, y esto da lugar a diferentes contrastes en la imagen. Para identificar la falla de apilamiento, es importante reconocer la condición de Bragg exacta para ciertos planos reticulares en la matriz, de modo que las regiones sin defectos detecten pocos electrones retrodispersados y, por lo tanto, aparezcan oscuras. Mientras tanto, las regiones con la falla de apilamiento no cumplirán con la condición de Bragg y, por lo tanto, producirán grandes cantidades de electrones retrodispersados y, por lo tanto, aparecerán brillantes en la imagen. Al invertir el contraste, se obtienen imágenes en las que la falla de apilamiento aparece oscura en medio de una matriz brillante. [7]
En un TEM, la obtención de imágenes de campo claro es una técnica utilizada para identificar la ubicación de las fallas de apilamiento. La imagen típica de una falla de apilamiento es oscura con franjas brillantes cerca de un límite de grano de ángulo bajo, intercaladas por dislocaciones al final de la falla de apilamiento. Las franjas indican que la falla de apilamiento está inclinada con respecto al plano de observación. [3]
Muchos semiconductores compuestos , por ejemplo, los que combinan elementos de los grupos III y V o de los grupos II y VI de la tabla periódica, cristalizan en las estructuras cristalinas de zincblenda fcc o wurtzita hcp . En un cristal semiconductor, las fases fcc y hcp de un material dado normalmente tendrán diferentes energías de brecha de banda . Como consecuencia, cuando la fase cristalina de una falla de apilamiento tiene una brecha de banda menor que la fase circundante, forma un pozo cuántico , que en experimentos de fotoluminiscencia conduce a la emisión de luz a energías más bajas (longitudes de onda más largas) que para el cristal en masa. [8] En el caso opuesto (mayor brecha de banda en la falla de apilamiento), constituye una barrera de energía en la estructura de banda del cristal que puede afectar el transporte de corriente en dispositivos semiconductores.
