Defecto intersticial - Interstitial defect

Los átomos intersticiales (azul) ocupan algunos de los espacios dentro de una red de átomos más grandes (rojo)

Un defecto intersticial es un tipo de defecto cristalográfico puntual donde un átomo del mismo o de un tipo diferente, ocupa un sitio normalmente desocupado en la estructura cristalina . Cuando el átomo es del mismo tipo que los que ya están presentes se les conoce como defecto autointersticial . Alternativamente, los átomos pequeños en algunos cristales pueden ocupar sitios intersticiales, como el hidrógeno en el paladio . Los intersticiales se pueden producir bombardeando un cristal con partículas elementales que tienen energía por encima del umbral de desplazamiento para ese cristal, pero también pueden existir en pequeñas concentraciones en equilibrio termodinámico . La presencia de defectos intersticiales puede modificar las propiedades físicas y químicas de un material.

Autointersticiales

Los defectos autointersticiales son defectos intersticiales que contienen solo átomos que son los mismos que los que ya están presentes en la red.

Estructura de autointersticial en algunos metales comunes. El lado izquierdo de cada tipo de cristal muestra el cristal perfecto y el lado derecho el que tiene un defecto.

La estructura de los defectos intersticiales se ha determinado experimentalmente en algunos metales y semiconductores .

Al contrario de lo que uno podría esperar intuitivamente, la mayoría de los autointersticiales en metales con una estructura conocida tienen una estructura "dividida", en la que dos átomos comparten el mismo sitio de red. Normalmente, el centro de masa de los dos átomos está en el sitio de la red y se desplazan simétricamente a lo largo de una de las direcciones principales de la red . Por ejemplo, en varios metales cúbicos (fcc) centrados en las caras comunes como el cobre, el níquel y el platino, la estructura del estado fundamental del autointersticial es la estructura intersticial dividida [100], en la que dos átomos se desplazan de forma positiva y negativa. [100] dirección desde el sitio de la celosía. En el hierro cúbico centrado en el cuerpo (bcc), la estructura intersticial del estado fundamental es similarmente una intersticial dividida [110].

Estos intersticiales divididos a menudo se denominan intersticiales con mancuernas, porque al trazar los dos átomos que forman el intersticial con dos esferas grandes y una línea gruesa que las une, la estructura se asemeja a un dispositivo de levantamiento de pesas con mancuernas .

En otros metales bcc distintos del hierro, se cree que la estructura del estado fundamental, basándose en cálculos recientes de la teoría funcional de la densidad, es el intersticial de miles de millones, que puede entenderse como una cadena larga (típicamente entre 10 y 20) de átomos a lo largo del [ 111] dirección de la red, comprimida en comparación con la red perfecta, de modo que la cadena contiene un átomo extra.

Estructura autointersticial con mancuernas en silicio. Tenga en cuenta que la estructura del intersticial en silicio puede depender del estado de carga y el nivel de dopaje del material.

En los semiconductores la situación es más compleja, ya que se pueden cargar defectos y diferentes estados de carga pueden tener diferentes estructuras. Por ejemplo, en el silicio, el intersticial puede tener una estructura dividida [110] o una tetraédrica verdaderamente intersticial.

El carbono, sobre todo en el grafito y el diamante, tiene una serie de interesantes autointersticiales, recientemente descubiertos mediante cálculos de aproximación de densidad local, es el "espirointerésitial" en el grafito, llamado así por espiropentano , ya que el átomo de carbono intersticial está situado entre dos planos y unidos en una geometría similar al espiropentano.

Intersticiales de impurezas

Los átomos intersticiales de pequeñas impurezas suelen estar en verdaderos sitios fuera de la red entre los átomos de la red. Dichos sitios se pueden caracterizar por la simetría de la posición del átomo intersticial con respecto a sus átomos reticulares más cercanos. Por ejemplo, un átomo de impureza I con 4 vecinos del átomo A de la red más cercanos (a distancias iguales) en una red fcc está en una posición de simetría tetraédrica y, por lo tanto, puede llamarse intersticial tetraédrico.

Los intersticiales de impurezas grandes también pueden estar en configuraciones intersticiales divididas junto con un átomo de red, similar a los del átomo autointersticial.

Poliedros de simetría intersticial octaédrico (rojo) y tetraédrico (azul) en una red cúbica centrada en las caras . Idealmente, el átomo intersticial real estaría en el medio de uno de los poliedros.

Efectos de los intersticiales

Los intersticiales modifican las propiedades físicas y químicas de los materiales.

  • Los átomos de carbono intersticiales tienen un papel crucial para las propiedades y el procesamiento de los aceros, en particular los aceros al carbono .
  • Los intersticiales de impurezas se pueden usar, por ejemplo, para el almacenamiento de hidrógeno en metales.
  • La red cristalina puede expandirse con la concentración de intersticiales de impurezas.
  • La amorfización de semiconductores como el silicio durante la irradiación de iones a menudo se explica por la acumulación de una alta concentración de intersticiales que eventualmente conducen al colapso de la red a medida que se vuelve inestable.
  • La creación de grandes cantidades de intersticiales en un sólido puede conducir a una acumulación significativa de energía, que al ser liberada puede incluso provocar accidentes graves en ciertos tipos antiguos de reactores nucleares ( efecto Wigner ). Los estados de alta energía pueden liberarse mediante recocido .
  • Al menos en la red fcc, los intersticiales tienen un gran efecto de ablandamiento diaelástico sobre el material.
  • Se ha propuesto que los intersticiales están relacionados con el inicio de la fusión y la transición vítrea .

Referencias