Upload
api-26064844
View
1.770
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
CHEMIA CIAŁA STAŁEGO
DEFEKTY
Zbigniew Sojkapok. 24
konsultacje: poniedziałek 9-10 h
nikt nie jest doskonały
kryształy idealne – stan referencyjny
doskonałe uporządkowanie w jednej z 230 grup przestrzennych
o nieskończonej periodyczności
defekt – zaburzenie periodyczności struktury
defekty niehomogeniczne (nie obejmujące wszystkich atomów ciała stałego), strukturalne
defekty homogeniczne (obejmujące wszystkie atomy ciała stałego) niestrukturalne (fonony)
typologia defektów
geneza defektówendogeniczne (samoistne)
egzogeniczne (domieszkowe)
rodzaje defektów
0-D (punktowe), elektronowe, wakancje, atomy międzywęzłowe, heteroatomy
1-D (liniowe), dyslokacje – translacyjne i rotacyjne przesunięcia atomów
2-D (płaskie), powierzchnie zewnętrzne i wewnętrzne, płaszczyzny ścinania
3-D (przestrzenne), wnęki, pory, wtrącenia, pęknięcia
podstawowe rodzaje defektów punktowych w ciałach monoatomowych
AAatom w pozycji
węzłowej
heteroatom w pozycji węzłowej
BA
(kontrakcja sieci)
wakancja
VA(φA)
atom międzywęzłowy (interstycjalny)
heteroatom międzywęzłowy (interstycjalny) BiAi (ekspansja sieci)
defekty punktowe w GaAs
VGa
SiGa
AsGa
[001]wakancja
heteroatomwęzłowy
defektantystrukturalny
(zamiana miejscami As i Ga)
E. Weber et al. UC Berkeley
dyslokacje-defekty liniowe
Cykl "Polonia", III. Kucie kos Artur Grottger
1863
schemat ilustrujący tworzenie dyslokacji krawędziowej i śrubowej
2
211
33
44
55
nacicie
22
1
13
34
45
56
6
σ σ
dyslokacja krawędziowa dyslokacja śrubowa
dodatnia ujemna
lewoskrętna prawoskrętna
rozciąganie
ściskanieSiC
odkształcenie postacioweodkształcenie postaciowe i objętościowe
www.nsls.bnl.gov/.../2003/07-Zimmerman.htm
wektor i obwód Burgersa
1234
1
2
31
2
3
b
a
1 2 3 4
b = a/n [uvw]
b ⊥ do linii dyslokacji krawędziowej
|| do linii dyslokacji śrubowej
- w pobliżu dyslokacji wybieramy atom jako punkt początkowy obwodu
- następnie przesuwamy się od tego atomu w kierunku zgodnym z ruchem wskazówekzegara od atomu do atomu o taką samą liczbę odległości międzyatomowych paramiwe wzajemnie równoległych, ale przeciwnych kierunkach, zakreślając zamknięty obwód.
- gdy wewnątrz zakreślonego obwodu znajduje się dyslokacja, to obwód nie zamyka sięi odcinek domykający stanowi wektor Burgersa tej dyskolacji
- zwrot wektora Burgersa jest zgodny z kierunkiem wykreślania obwodu.
dyslokacja krawędziowa w kryształach jonowych
ClNa
[011]
[011]_
niejednoznaczność wyboru dyslokacji
dyslokacja mieszana (śrubowa przechodząca w krawędziową)
(001)
(110)
(110)
_
b
b
wektor Burgersa ⊥ do dyslokacji krawędziowej
ćwiartka pętli dyslokacji
wektor Burgersa || do dyslokacji śrubowej
pętle i sieci dyslokacjisieć dyslokacji
płaszczyzna pośl
izgu
⊥
⊥
b
bs
krawędziowa (+)śrubowa (prawa)
krawędziowa (-)
śrubowa (lewa)
α
(111)
b1
b2
b3
b4
b⊥
natywne dyslokacje i pętle w skaleniubs =bcosα składowa śrubowab⊥ =bsinα Sierra Nevada w pobliżu Lake Edisonskładowa krawędziowa
ruch dyslokacji krawędziowej pod wpływem siły ścinającej σ
podczas odkształcenia plastycznego
kolejne stadia lokalnych przemieszczeń w skali atomowej prowadzące do poślizgu
σ σ σ
σ σ σ
uskokpłaszczyzna poślizgu
(najgęściej obsadzona atomami)efektywne
przesunięcie o wielkość wektora
Burgersa
anihilacja dyslokacjipłaszczyzna
poślizgu+dodatnia ujemna 0
wspinanie się dyslokacji wywołane migracją wakancji
Ω
Ω=
kTFVV eql 3/2. exp][][
objętość wakancji Ω
siły rozciągającedążą do wciągnięcia wakancji
siły ściskającedążą do wypchnięcia wakancji
F – siła wspinania
wspinanie/zstępowanie dyslokacji powiązane jest z anihilacją/generacją wakancji
blokowanie dyslokacji przez atom domieszki
TEM
cienka folia stali 18Cr-8Ni
zwielokrotnianie dyslokacji na domieszkach blokujących
Fe3C
Fe
ciąg dyslokacjiutwardzanie materiału plaszczyznapoślizgu
omijanie domieszek blokujących przez wspinanie
Metals Handbook vol 8, 1973
zależność wytrzymałości metali od gęstości defektów budowy krystalicznej
wyt
rzym
ałość
mec
hani
czna
teoretyczna granica wytrzymałości kryształu doskonałego
wis
kery
/nan
odru
ty
materiałystosowanew technice
1 wiskery~102 /m2 monokryształy Si, Ge~1010 - 1016 /m2 silnie zdefektowane metale
gęstość defektów budowy krystalicznej
SiCgęstość dyslokacji
stal damasceńska
gdy w żelazie występuje ok. 2% węgla, otrzymana stal jest twarda, ale jest krucha, mało odporna na zginanie i trudna do obróbki.
Stal zawierająca ok. 0,5% węgla jest łatwo kowalna, giętka, ale za miękka.
Stal do produkcji broni białej powinna być jednocześnie twarda (nie szczerbić się), giętka (aby nie pękać całkowicie)
dyslokacja śrubowa i spiralny wzrost kryształuatom zewnętrzny
wypełnianie załamania i progów prowadzi do zaniku centrów wzrostu kryształu
tarasy wzrostuzeolitu Lmechanizm wzrostu wg. Franka tarasy wzrostu
SiC
w dużej odległości stała szybkość wzrostu
Schaffer et al.
spirala Archimedesa
dyslokacja śrubowa umożliwia ciągły wzrost kryształu nawet w warunkach niewielkiego przesycenia
defekty płaskie
przykładowe defekty płaskie obszar amorficzny przypominający strukturą
ciecz
(100)
(001)
3c4c5c
(010)
wysokokątowe granice międzyziarnowe
powierzchniapłaszczyzna ścinania
struktura ReO3
stechiometria
1 atom Re6 × 1/2 = 3 atomów O
łańcuch trans ReO3warstwa ReO3
podwójny łańcuch ReO3
powstawaie płaszczyzny ścinania w ReO3
(100)
płaszczyzna ścinania
defekty Wadsleya – przypadkowy rozkład płaszczyzn ścinania
⇒ faza niestechiometryczna WO3- WO2.93
uporządkowany rozkład płaszczyzn ścinania
⇒ bertolidy (fazy niestechiometryczne) WnO3n-2
(n = 20, 24, 25, 40)
mechanizm powstawania krystalograficznej płaszczyzny ścinania (120) w WO3-x-
WO3 → W6+1-2xW5+
2xΦxO3-x + 1/2O2
wakancjatlenowa
płaszczyzna ścinania (120)-uporządkowanie wakancjiwzdłuż płaszczyzny
anihilacja wakancjiprzez zmianę połączenia
defekty płaskie TEMgranica
ziarno 2ziarno 1
a
θ
b
θ = tan-1 (a/b)
θ = tan-1(0.2/19) = 0.6o
θ < 10o
granica niskokątowa ziaren
niskokątowa granica międzyziarnowa i tekstura mozaikowa
tekstura mozaikowa krystalitów
bliźniacza granica ziaren
struktura powierzchni - retrakcja
NaClNaClutworzenie powierzchni
wymaga przeciwstawienia się energii kohezji
2.86Å
obniżenie liczby koordynacji zaburza równowagę sił
0.2Å retrakcja kationów w płaszczyźnie (100) NaCl
2.81Å 2.66Å
rekonstrukcja powierzchni
(111)
(110) Pt
(110)
(001)
(001)
TEM
Insfitut fur Alg. Phys. TU Wien
prosta analiza termodynamicznan - całkowita liczba atomówa - pole powierzchnientalpia swobodna ),,( apTfG =
sb aGnGG +=dodatkowa energiana zrywanie wiązań i relaksację
zrywanie wiązań + relaksacja powierzchni
powierzchnia (100) Si
energia powierzchniowa
γ=
∂∂
pTaG
,
[J/m2] lub [N/m] praca odwracalnaaby powierzchnię azwiększyć o da
przybliżenie zerwanych wiązań
każde zerwane wiązanie podnosi energie powierzchniową
gęstość wiązań zależyod rodzaju płaszczyzny
ss
koh NZZH∆=γ
gęstość liczbowa atomów na powierzchniliczba koordynacyjna
przykład dla struktury metalicznej fcc
Ns = 1015 atom/cm2, ∆Hkoh = 500 kJ/mol γ ~ 2 J/m2
typowe wartości dla metali 1.5 - 3 J/m2
dla ciał jonowych/tlenków 0.2 – 0.5 J/m2
polimery/węglowodory 0.01 – 0.03 J/m2
napięcie powierzchniowe σ i energia powierzchniowa γ
powierzchnie izotropowe γ = σ ⇒ ciało przyjmuje kształt kulisty
krople
minimalizacja energii przy danej objętości przez izotropowe napięcie powierzchniowe
nanokryształy/klastery anizotropia γ dla kryształów γ = γ(n)
ii
i An∑ )(γ przy V = constminimalizacja SEM
szukamy minimum warunkowego
VAi
ii λγ −=Ω ∑α-Cr2O3 , T = 1273 K
A. Zecchina, et al., Discuss, Faraday Soc, 1996
kształt równowagowy jest nie kulisty i wynika z minimalizacji energii
wpływ powierzchni na stabilność strukturypolimorfizm tlenku cyrkonu
∆p.f. G(r) = 4/3πr3∆Gw + 4πr2(γt - γm)
∆Gwt > ∆Gw
mγt < γm
małe ziarna duże ziarna
t-ZrO2 m-ZrO2 t-ZrO2
620 800 920 1025 1448 2643 T/K
T(t→m) = Tv/r [1 + 3(γt - γm)/∆H(t→m)]
defekty punktowe
entalpia tworzenia defektów punktowych
punktowe defekty samoistne w krysztale atomowym
- entalpia tworzenia wakancji jest powiązana z energią kohezji U0
sekwencja zdarzeń ukazujących mechanizm powstawania wakancjirelaksacja
- końcowa konfiguracja odpowiada przesunięciu atomu na powierzchnię,a nie do nieskończoności
∆HV ≈ 1/2U0 – hr
∆HV ≈ 1/2U0relaksacja
równowagowe stężenie defektów punktowych
NL pozycji węzłowych NV wakancji ∆GV = ∆HV – T∆SV8
∆Sv = ∆Sk + ∆Sosc
NL = 80, NV = 510
entropia konfiguracyjna (mieszania)
∆Sk = kBlnΩΩ = 1, Sk = 0
liczba sposobów rozmieszczenia NV wakancji pomiędzy NL pozycji węzłowych
NL!wzór Stirlingalnx! ≅ xlnx - x
Ω =NV!(NL – NV)!
∆Sk ≅ kB [NLlnNL – NVlnNV – (NL – NV)ln(NL – NV)]
∆GV = NV(∆hV – T∆sosc) - T∆Sk
w stanie równowagi termodynamicznej
∂∆GV/∂NV = 0∆hV – T∆sosc + TkBln[NV/(NL – NV)] = 0
dla NL >> NVstężenie wakancji jest zawsze dużo mniejszeod stężenia węzłów sieciowych
xV = NV/(NL – NV) ≅ NV/NL
xV ≅ exp(∆sosc/k)exp(-∆hV/kT)
∆sosc= kln(ν/νo)z
częstość drgań
liczba sąsiadów których częstośćjest zaburzona przez wakancję
entalpia swobodna tworzenia defektów samoistnych
∆GV = GV - Gid
∆GV = ∆HV – T(∆Sk + ∆Sosc)
T∆S
∆G∆H
neq
ener
gia
T∆S
∆G∆H
neqen
ergi
astężenie defektów stężenie defektów
∆HV ∼ T∆S ∆HV >> T∆S
neq ∼ 0neq > 0
nneq > neq (faza metastabilna)
podział ciał stałych ze względu na zdefektowanie
defekty
rodzime domieszkowe(endogeniczne,
samoistne)(egzogeniczne)
zdefektowanie strukturalne
zdefektowanie elektronowedaltonidy bertolidy
(stechiometryczne) (niestechiometryczne)
symetryczneantysymetryczne [M] > [X] [X] > [M]
nadmiar M nadmiar XM1+yX MX1+y
niedomiar X niedomiar M
MX1-y M1-yX
symbolika defektów punktowych
Sładunek względem
sieci
położenie
CP
rodzaj
S = V, M, X, Yheteroatomwakancja
kation anion
P = i, M, Xmiędzywęzłowa
węzłowa (kationowa i anionowa)
C = • (+), ' (-), x (0)h•, e’
ładunek defektów w kryształach jonowych MX
Ni +2 Ni +2
Ni +2Ni +2 Ni +2
Ni +2
Ni +2
Ni +2Ni +2
O -2
O -2
O -2O -2
O -2O -2
O -2
O -2 O -2VNi
VO
0 + 2 = +2
0 – (– 2) = +2
0 – (+2) = -2
Mi ładunek +2 względem 0..VX ładunek +2 względem anionu X
..
Xi ładunek -2 względem 0’’VM ładunek -2 względem kationu M’’
podstawowe rodzaje defektów punktowych
defekty samoistne (rodzime)symetryczne
X X M X X
X M X M X
X M X M X
M X M X M
M M X MM
MX
X M X M X
X M X M X
X X M X
M X M M
M X M X M
NaCl, TiO, BeO, CaO, CsCl1. defekty Schottky’ego VM + VX
2. defekty antystrukturalne MX + XM
3. defekty anty-Schottky’ego (Mi + Xi)AuZn, GaP, GaS
antysymetryczne
X X M X
X M X M X
M X M X M
M X M M
M X M X M
M
Xfluoryt
CaF2, BaF2, ZnO, CeO21. defekty Frenkla VM + Mi
2. defekty anty-Frenkla VX + Xi AgCl, AgBr, NaNO3, KNO3
dominujące zdefektowanie wybranych kryształów
anionowe Frenklafluorytufluorki ziem
alkalicznych, CeO2, ThO2
Schottky’egowurcytuBeO
Schottky’egoCsClhalogenki Cs, TlCl
kationowe FrenklahalituAgBr, AgCl
Schottky’egohalitutlenki metali alkalicznych
Schottky’egohalituhalogenki alkaliczne
rodzaj zdefektowaniastrukturakryształ
entalpia i entropia tworzenia defektów
1.6-3.0∼1.51.02.4
9.010.39.87.6
5.4-12.26.6-12.2
1.181.090.940.75
2.542.532.442.004-6.5
4
1.45-1.551.13-1.280.6-0.84.5-6
wakancjeCu(s)
Ag(s)
Au(s)
Al(s)
defekty Schottky’egoKClKBrNaClNaI
MgOCaO,SrO
defekty FrenklaAgClAgBrAgIZnS
∆sf/kB∆hf/eVkryształ
strukturalne efekty domieszkowania
generowanie wakancji kationowych generowanie wakancji anionowychdomieszka hiperwalencyjna domieszka hypowalencyjna
Zr +4
Zr +4
Zr +4 Zr +4Zr +4
Ca +2
Zr +4
O -2
O -2
Zr +4
O -2
Zr +4
O -2
O -2
Zr +4
O -2
O -2
Zr +4Zr +4
O -2
O -2
O -2
O -2
V ..O
Ag+
Cd +2Cl-
Cl-
Ag+
Ag+Cl-
Cl-
Ag+
Ag+Cl-
Cl-
Ag+Cl-
Cl-VAg'
Ag1-xVxCdxCl Zr1-xCaxVxO2-x
CdCl2 → Cd˙Ag + V’Ag + 2ClCl CaO → Ca’’Zr + V˙˙O + OO
strukturalne efekty domieszkowaniagenerowanie dziur anionowych generowanie dziur kationowych
Ni +2 Ni +2
Ni +3
Ni +3
Ni +2
Ni +2
O -2 O -2
O -2
O -2 O -2
O -2
O -2
O -2
Li+
Li+h.
h.
Mg +2 Mg +2
Mg +2Mg +2
Mg +2
Mg +2Li+
Li+
O -2 O -2
O -2
O -2 O-
O-O -2
O -2
h.
h.
Mg1-2xLi2xO2xO1-2x- 2- Ni1-4xNi2xLi2xO
3+2+
Li2O + 1/2O2 → 2Li’Mg + 2h˙ + 2OO Li2O + 1/2O2 → 2Li’Ni + 2h˙ + 2OO
reakcje redoksowe
2OO + 1/2O2 → 2OO + OO2-2- - 2NiNi + 1/2O2 → 2NiNi + OO
2-3+2+
wirtualny potencjał chemiczny defektów (Kröger)ak
tyw
nośc
[x]
Henrypddziaływanie
pomiędzy defektami
ioii aRT ln+= µµ
ε(0)SiO2 3.7NaCl 5.6Al2O3 7.7MgO 8FeO 10BaO 34TiO2//a) 86TiO2(//c) 170WO3 300PbTiO3 9000SrTiO3 30000
∑=i
ii zcI 2
21
2/32
)0(82
=
kTeA
επ2/12
)0(2
=
kTeB
ε
iioii RTxRT γµµ lnln ++=
2/1
2
1ln
aBIIzAz
+−= −+
±γ
dla ε(0) > 50 - 100
ai ≈ xi x ≥ 5×10-4
równowagi defektowe w daltonidach Frenkel
Schottky
0 V˙˙X + V’’M
kryształ idealny MM M˙˙i + V’’MNaCl, CaO, TiO, CsClAgCl, AgBr, KNO3
0 [V˙˙X][V’’M] = KS = exp(∆SS/R)exp(-∆HS/RT)
0 [M˙˙i][V’’M] = KF = exp(∆SF/R)exp(-∆HF/RT)
warunek elektroobojętności
[V˙˙X] = [V’’M] = K1/2S [M˙˙i] = [V’’M] = K1/2
F MM(O) + Vi(T) Mi(T) + VM(O)
reguła zachowania węzłówliczba węzłów anionowych/kationowych = x/mMmXx
0 2V˙˙O + V’’’’Ti
równowagi defektowe w daltonidach – jonizacja defektówSchottky
0 V˙˙X + V’’M
V˙˙X V˙X VXe’ e’V˙˙X + e’ V˙X
V˙X + e’ VX donor elektronów
V’’M V’M VMh˙ h˙
M3+
M3+
M3+
V’’M + h˙ V’M
V’M + h˙ VM donor dziur
0 e’ + h˙ autojonizacjah˙ = M3+
h˙ = O-Owarunek elektroobojętności
[e’] + 2[V’’M] + [V’M] = [h˙] + 2[V˙˙X] + [V˙X]
równowagi defektowe w daltonidach – jonizacja defektów
Frenkel
MM M˙˙i + V’’M
M˙˙i + e’ M˙i
M˙i + e’ Mi donor elektronów
V’’M + h˙ V’M
V’M + h˙ VM donor dziur
0 e’ + h˙ autojonizacja
warunek elektroobojętności
[e’] + 2[V’’M] + [V’M] = [h˙] + 2[M˙˙i] + [M˙i]
równowagi defektowe w bertolidach: [M] < [X]
niedomiar MV'M
h.
h.2+
3+
2-
VM
h. h.
M1-yX
1/2X2(g) VM + XX
jonizacja
VM V’M + h˙
V’M V”M + h˙
FeO
1/2O2 (g) Oox + V’’Fe + 2h.
1/2yO2 (g) Fe2+1-yFe3+
2yVyO1+y
równowagi defektowe w bertolidach: [M] < [X]
nadmiar X
MX1+y UO2
1/2X2(g) XiX'i
h.
X i
jonizacja
Xi X’i + h˙
X’i X”i + h˙
równowagi defektowe w bertolidach: [M] > [X]nadmiar M
M1+yX
Mi M˙i + e’
MX Mi + 1/2X2(g)
M˙i M˙˙i + e’
e'
M i.
2++
2-
M i
2+
2-
(znika 1 węzeł anionowy i 1 kationowy)
OOx 1/2O2 + 2e
jonizacja
ZnO
Zn2+Zn Zn2+
i + V”Zn
Zn2+i + e’ Zn+
i
Zn+i + e’ Zn0
i
ZnO Znoi + 1/2O2(g)
równowagi defektowe w bertolidach: [M] > [X]
niedomiar X
ZrO2MX1-y
XX VX + 1/2X2(g)
jonizacja
VX V˙X + e’
V˙X V˙˙X + e’
Vx
Vx
e'
.