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Defecto cristalográfico

Microscopía electrónica de antisitios (a, Mo sustituye a S) y vacantes (b, átomos de S faltantes) en una monocapa de disulfuro de molibdeno . Barra de escala: 1 nm. [1]

Un defecto cristalográfico es una interrupción de los patrones regulares de disposición de átomos o moléculas en sólidos cristalinos . Las posiciones y orientaciones de las partículas, que se repiten a distancias fijas determinadas por los parámetros de la celda unitaria en los cristales, exhiben una estructura cristalina periódica , pero esta suele ser imperfecta. [2] [3] [4] [5] A menudo se caracterizan varios tipos de defectos: defectos puntuales, defectos lineales, defectos planares, defectos en masa. La homotopía topológica establece un método matemático de caracterización.

Defectos puntuales

Los defectos puntuales son defectos que ocurren solo en o alrededor de un único punto de la red. No se extienden en el espacio en ninguna dimensión. Por lo general, no se definen explícitamente límites estrictos sobre cuán pequeño es un defecto puntual. Sin embargo, estos defectos generalmente involucran como máximo unos pocos átomos adicionales o faltantes. Los defectos más grandes en una estructura ordenada generalmente se consideran bucles de dislocación . Por razones históricas, muchos defectos puntuales, especialmente en cristales iónicos, se denominan centros : por ejemplo, una vacante en muchos sólidos iónicos se denomina centro de luminiscencia, centro de color o centro F. Estas dislocaciones permiten el transporte iónico a través de cristales que conducen a reacciones electroquímicas. Con frecuencia se especifican utilizando la notación de Kröger-Vink .

Ilustración esquemática de algunos tipos simples de defectos puntuales en un sólido monoatómico

Ilustración esquemática de defectos en un sólido compuesto, utilizando GaAs como ejemplo.

Defectos de línea

Los defectos de línea se pueden describir mediante teorías de calibre.

Las dislocaciones son defectos lineales alrededor de los cuales los átomos de la red cristalina están desalineados. [14] Existen dos tipos básicos de dislocaciones: la dislocación de borde y la dislocación helicoidal . También son comunes las dislocaciones "mixtas", que combinan aspectos de ambos tipos.

Se muestra una dislocación de borde . La línea de dislocación se presenta en azul y el vector de Burgers b en negro.

Las dislocaciones de borde se producen por la terminación de un plano de átomos en el medio de un cristal. En tal caso, los planos adyacentes no son rectos, sino que se curvan alrededor del borde del plano de terminación de modo que la estructura cristalina está perfectamente ordenada en ambos lados. La analogía con una pila de papel es apropiada: si se inserta media hoja de papel en una pila de papeles, el defecto en la pila solo se nota en el borde de la media hoja.

La dislocación helicoidal es más difícil de visualizar, pero básicamente comprende una estructura en la que se traza una trayectoria helicoidal alrededor del defecto lineal (línea de dislocación) por los planos atómicos de los átomos en la red cristalina.

La presencia de dislocaciones produce una deformación reticular (distorsión). La dirección y magnitud de dicha distorsión se expresa en términos de un vector de Burgers (b). Para un tipo de arista, b es perpendicular a la línea de dislocación, mientras que en los casos del tipo tornillo es paralela. En los materiales metálicos, b está alineada con direcciones cristalográficas compactas y su magnitud es equivalente a un espaciamiento interatómico.

Las dislocaciones pueden moverse si los átomos de uno de los planos circundantes rompen sus enlaces y se vuelven a unir con los átomos en el borde terminal.

Es la presencia de dislocaciones y su capacidad de moverse fácilmente (e interactuar) bajo la influencia de tensiones inducidas por cargas externas lo que conduce a la maleabilidad característica de los materiales metálicos.

Las dislocaciones se pueden observar mediante microscopía electrónica de transmisión , microscopía de iones de campo y técnicas de sonda atómica . La espectroscopia transitoria de nivel profundo se ha utilizado para estudiar la actividad eléctrica de las dislocaciones en semiconductores, principalmente silicio .

Las disclinaciones son defectos lineales que corresponden a la "adición" o "reducción" de un ángulo alrededor de una línea. Básicamente, esto significa que si se sigue la orientación del cristal alrededor del defecto lineal, se obtiene una rotación. Por lo general, se pensaba que desempeñaban un papel solo en los cristales líquidos, pero los desarrollos recientes sugieren que también podrían tener un papel en los materiales sólidos, por ejemplo, provocando la autocuración de las grietas . [15]

Defectos planares

Origen de las fallas de apilamiento: diferentes secuencias de apilamiento de cristales compactados

Defectos a granel

Métodos de clasificación matemática

Un método de clasificación matemática exitoso para defectos físicos de red, que funciona no sólo con la teoría de dislocaciones y otros defectos en cristales sino también, por ejemplo, para disclinaciones en cristales líquidos y para excitaciones en 3He superfluido , es la teoría de homotopía topológica . [17]

Métodos de simulación por ordenador

La teoría funcional de la densidad , la dinámica molecular clásica y las simulaciones cinéticas de Monte Carlo [18] se utilizan ampliamente para estudiar las propiedades de los defectos en sólidos con simulaciones por computadora. [9] [10] [11] [ 19] [20] [21] [22] Simular el atasco de esferas duras de diferentes tamaños y/o en contenedores con tamaños no mensurables utilizando el algoritmo de Lubachevsky-Stillinger puede ser una técnica eficaz para demostrar algunos tipos de defectos cristalográficos. [23]

Véase también

Referencias

  1. ^ Hong, J.; Hu, Z.; Probert, M.; Li, K.; Lv, D.; Yang, X.; Gu, L.; Mao, N.; Feng, Q.; Xie, L.; Zhang, J.; Wu, D.; Zhang, Z.; Jin, C.; Ji, W.; Zhang, X.; Yuan, J.; Zhang, Z. (2015). "Explorando defectos atómicos en monocapas de disulfuro de molibdeno". Nature Communications . 6 : 6293. Bibcode :2015NatCo...6.6293H. doi :10.1038/ncomms7293. PMC  4346634 . PMID  25695374.
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  3. ^ Siegel, RW (1982) Defectos atómicos y difusión en metales, en Defectos puntuales e interacciones de defectos en metales , J.-I. Takamura (ED.), pág. 783, Holanda Septentrional, Ámsterdam
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Lectura adicional