Dominio antifase

Un dominio antifase (APD) es un tipo de defecto cristalográfico planar en el que los átomos dentro de una región de un cristal están configurados en el orden opuesto a los del sistema reticular perfecto . A lo largo de todo el APD, los átomos se asientan en los sitios típicamente ocupados por átomos de una especie diferente. Por ejemplo, en una aleación AB ordenada, si un átomo A ocupa el sitio habitualmente ocupado por un átomo B, se forma un tipo de defecto puntual cristalográfico llamado defecto antisitio. Si se traslada una región entera del cristal de modo que cada átomo en una región del plano de átomos se asienta en su antisitio, se forma un dominio antifase. En otras palabras, un APD es una región formada a partir de defectos antisitio de una red principal . A ambos lados de este dominio, la red sigue siendo perfecta, y los límites del dominio se denominan límites antifase. ^[1] Fundamentalmente, los cristales a ambos lados de un límite antifase están relacionados por una traslación, en lugar de una reflexión (una macla cristalina ) o una inversión (un dominio de inversión).

Mecanismo

Estos defectos planares son similares a las fallas de apilamiento en que a menudo se crean a través del deslizamiento de los planos atómicos y el movimiento de dislocación, pero el grado de traslación varía. En las fallas de apilamiento, la región de desajuste de apilamiento está limitada por dos dislocaciones parciales, y se forma una dislocación extendida . Para los dominios antifase que solo muestran desorden químico, la región está limitada por dos fallas de apilamiento complejas, que muestran tanto apilamiento como desorden químico. ^[1] Por lo tanto, se necesitan 4 dislocaciones parciales para restaurar completamente el orden del cristal. Estas se pueden ver en las Figuras 1 y 2 a continuación. El ancho de estas regiones está determinado por el equilibrio de fuerzas entre la repulsión de las dislocaciones parciales del mismo signo y la energía de superficie de las regiones. A medida que aumenta la energía de la superficie del límite antifase, el grado de separación entre las dislocaciones parciales disminuirá para compensar.

Red de Ni3Al

Figura 1: Esta figura muestra dos capas de átomos en un cristal de Ni3Al, una aleación binaria que a menudo presenta límites antifase. Para fines de visualización, los átomos en la capa inferior se muestran como más grandes que los de la capa superior, pero este no es realmente el caso. La traslación de la capa superior se puede dividir en dos pasos, indicados por las flechas pequeñas 1 y 2. (b) El deslizamiento parcial de la capa superior por el vector corto 1 conduce a la formación de una falla de apilamiento compleja. (c) El deslizamiento completo de la capa superior con la magnitud de traslación dada por una traslación reticular unitaria (1+2), lo que resulta en la formación de un límite antifase. Si el plano superior se desliza por dos espaciamientos reticulares completos (1, 2, 3 y 4), se forma una superdislocación, y esto es necesario para que se restablezca la estructura cristalina perfecta. Se espera que esta superdislocación, que consiste en dos traslaciones reticulares perfectas, se disocie en cuatro dislocaciones parciales diferentes con dos en cada lado. ^[2]

Límite de antifase

Figura 2: Un límite antifásico creado por cuatro dislocaciones parciales (1,2,3,4), rodeado de fallas de apilamiento complejas. Fuera de estas regiones sombreadas, el cristal es perfecto. ^[1]

Fortalecimiento del orden

El fortalecimiento del orden que se produce a partir de la interacción de las dislocaciones con precipitados ordenados, que forman límites antifase a medida que las dislocaciones se mueven por todo el cristal, puede generar aumentos significativos en la resistencia y la resistencia a la fluencia. Por este motivo, el fortalecimiento del orden se suele aprovechar para las superaleaciones resistentes a la fluencia a alta temperatura que se utilizan en los álabes de las turbinas. ^[2]

Los dominios antifásicos conllevan una penalización de energía superficial en comparación con la red perfecta debido a su desorden químico, y la presencia de estos límites impide el movimiento de dislocación a lo largo del cristal, lo que lleva a una mayor resistencia bajo tensión de corte. La Figura 3 a continuación muestra el proceso de una dislocación de borde que se propaga a través de una partícula ordenada. A medida que la dislocación se mueve a lo largo de la partícula, los planos de la red se desplazan de su configuración de equilibrio y se forman enlaces AA y enlaces BB a lo largo del plano de deslizamiento. Esto forma un estado de energía más alto que cuando se compara con la configuración de enlace AB de equilibrio, y el cambio de energía se llama energía de límite antifásico (APBE). Esto puede aumentar el grado de fortalecimiento creado a partir del endurecimiento por precipitación , lo que dificulta que se produzca el corte y, en cambio, aumenta la probabilidad de que se produzca un arqueamiento de Orowan alrededor del precipitado. ^[1]

Fortalecimiento del orden

Figura 3: Proceso de una dislocación de borde que se desplaza a través de un precipitado ordenado. En (a), se muestra la partícula perfectamente ordenada. En (b), la dislocación se ha desplazado a través de una parte de la partícula. En (c), la dislocación sale del precipitado, lo que provoca un aumento de la energía superficial a partir del aumento del área superficial y una configuración de enlace de mayor energía. ^[1]

El fortalecimiento del orden se caracteriza a menudo por una relación entre la energía de límite antifase atractiva (APBE) y la energía de dislocación repulsiva (Gb): . El grado de fortalecimiento del orden depende tanto de esta relación como de si la aleación se encuentra en las etapas tempranas o tardías de precipitación. Cuando es bajo, la dislocación de cola se mueve muy por detrás de las dislocaciones de cabeza, lo que lleva a un corte separado de los precipitados, como se ve en la Figura 4a. Alternativamente, cuando es alto, la dislocación de cola sigue de cerca a la dislocación de cabeza, lo que lleva a un corte común, como se ve en la Figura 4b. Durante las primeras etapas de precipitación, el aumento de la tensión de corte se puede expresar como: ${\displaystyle \epsilon _{ord}={\frac {APBE}{Gb}}}$ ${\displaystyle \epsilon _{ord}}$ ${\displaystyle \epsilon _{ord}}$

${\displaystyle \tau _{ord}\approx 0.7G(\epsilon _{ord})^{3/2}({\frac {fr}{b}})^{1/2}}$para bajo o ${\displaystyle \epsilon _{ord}}$

${\displaystyle \tau _{ord}\approx 0.7G[(\epsilon _{ord})^{3/2}({\frac {fr}{b}})^{1/2}-0.7\epsilon _{ord}f]}$para alto donde G es el módulo de corte, f es la fracción de volumen de precipitados, r es el radio del precipitado y b es el vector de Burgers de la dislocación. ${\displaystyle \epsilon _{ord}}$

En las últimas etapas de la precipitación, las expresiones análogas son:

${\displaystyle \tau _{ord}\approx 0.44G(\epsilon _{ord})f^{1/2}}$para bajo o ${\displaystyle \epsilon _{ord}}$

${\displaystyle \tau _{ord}\approx 0.44G(\epsilon _{ord})[f^{1/2}-0.92f]}$para alto . ^[1] ${\displaystyle \epsilon _{ord}}$

Cizallamiento a través de precipitados ordenados

Figura 4: Movimiento de dislocación alrededor de los precipitados. ^[1]

Ejemplos de la literatura

La confusión entre dominios de inversión y dominios antifásicos es común, incluso en la literatura publicada, y particularmente en el caso del GaAs cultivado sobre silicio. (Defectos similares se forman en el GaN sobre silicio, donde se identifican correctamente como dominios de inversión). Un ejemplo se ilustra en el diagrama siguiente. ^[3]

Figura 4. Área resaltada que muestra un dominio de inversión, incorrectamente llamado dominio antifase, en GaAs sobre Si. ^[4]

La región sombreada, B, es un ejemplo de un APD. En la figura, el GaAs crece sobre una superficie desorientada de Si (no se analizan los detalles aquí). La desorientación hace que los átomos de Ga y As en la región B estén en sitios opuestos en comparación con la matriz cristalina. La presencia del APD da como resultado que los sitios de Ga 1, 1', 2, 2', 3, 3' se unan a los átomos de Ga en el APD para formar un APB.

En materiales con estados de oxidación mixtos como la magnetita, pueden formarse dominios antifásicos y límites de dominios antifásicos como resultado del ordenamiento de cargas, incluso aunque no haya cambios en las ubicaciones de los átomos. ^[4] Por ejemplo, la superficie de magnetita reconstruida (100) contiene pares de Fe ^{II y pares de Fe III} alternados en la primera capa del subsuelo. ^[4] Se puede formar un límite de dominio antifásico si dos pares de Fe ^II del subsuelo se encuentran cuando dos terrazas crecen juntas. ^[4]

Referencias

1. Courtney, Thomas (2000). Propiedades mecánicas de los materiales . McGraw Hill. págs. 203–205.
2. Cai, Nix, Wei, William (2016). Imperfecciones en sólidos cristalinos . Cambridge University Press. págs. 575–577.{{cite book}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
3. Aunque el artículo de la revista citado a continuación enfatiza la autoaniquilación de los APB, la fotografía fue tomada como ilustración de un APD.
4. Parkinson, GS; Manz, TA; Novotny, Z.; Sprunger, PT; Kurtz, RL; Schmid, M.; Sholl, DS; Diebold, U. (2012). "Límites de dominios antifásicos en la superficie Fe3O4(001)". Phys. Rev. B . 85 (19): 195450:1–7. Código Bibliográfico :2012PhRvB..85s5450P. doi : 10.1103/PhysRevB.85.195450 .