Defekt čvrstog stanja

Snimka defekta s elektronskim mikroskopom (a, Mo zamijenjen sa S) i upražnjena mjesta (b, nedostaju atomi S) u jednom sloju molibdenovog disulfida MoS₂. Mjerna veličina (žuto): 1 nm.^[1]

Gore desno: stepenasta dislokacija.
Dolje desno: vijčana dislokacija.

Prikaz stepenaste dislokacije.

Defekt čvrstog stanja ili kristalografske greške su nepravilnosti u kristalnoj rešetki tvari u čvrstom stanju zbog nepravilna rasporeda atoma u kristalu. Mnoga svojstva čvrstih tvari u velikoj mjeri ovise o najmanjim veličinama defekata (takozvana strukturno osjetljiva svojstva, za razliku od strukturno neosjetljivih svojstava u koja se ubrajaju gustoća, toplinski kapacitet i drugo). Postoje četiri vrste defekata čvrstog stanja:

Točkasti defekti su nepravilnosti koje su ograničene na mjestu jednog atoma u kristalnoj rešetki. To može biti praznina u rešetki ili, na primjer, atom stranog kemijskog elementa, kao što je arsen u germaniju, nikal u bakru i tako dalje. O njima u velikoj mjeri ovisi električna vodljivost kovina na niskim temperaturama, električna svojstva izolatora, mehanička čvrstoća, boja kristala, vodljivost poluvodiča, luminiscencija i drugo.
Linijski defekti ili dislokacije su nepravilnosti koje obuhvaćaju velik broj atoma duž linije u kristalu. Znatno utječu na mehanička, električna, magnetska, toplinska i druga svojstva čvrstih tvari. Kretanje i stvaranje točkastih defekata u kristalnoj rešetki vezano je u velikoj mjeri uz linijske defekte. Kada je broj linijskih defekata jako velik, toliko se isprepletu da se ne mogu kretati, osobito u kombinaciji s točkastim defektima, i na taj se način postiže poboljšanje mehaničkih svojstava pojedinih kovina (kovanje, kaljenje, dodavanje ugljika u željezo i drugo).
Plošni defekti su nepravilnosti kristalne rešetke u dvije dimenzije. Općenito, nema kristala bez te vrste defekta, jer sama vanjska ploha sadrži atome koji svojim položajem nisu jednakovrijedni (ekvivalentni) atomima unutar kristala. Međutim, poznat je niz drugih plošnih defekata, kao na primjer granice kristalića, granice faza, nepravilnosti u poretku atoma i drugo.
Volumni defekti u čvrstim tvarima šupljine su, kristalići druge faze ili materije (precipitati) i slično. Iako volumne defekte nalazimo u velikom broju u normalnim materijalima, njihovo proučavanje u fizici čvrstog stanja manje je razvijeno. Istraživanje jednostavnijih defekata zahtijeva gotovo idealne kristale, a ti obično ne sadržavaju volumne defekte.^[2]

Dislokacija

Podrobniji članak o temi: Dislokacija

Dislokacija je linijski poremećaj koji nastaje na granici između skliznutih i neskliznutih dijelova kristalne rešetke, a može se odrediti i kao vrsta jednodimenzionalne ili linijske greške kristalne rešetke (defekt čvrstog stanja). Dislokacije nisu termodinamički stabilne, to jest ne mogu se nalaziti u termodinamičkoj ravnoteži kao prazna mjesta. Prispijećem dislokacije na površinu kristalne rešetke oslobađa se pohranjena elastična energija. U krajnjem slučaju dislokacije se dijele na stepenaste dislokacije i vijčane (spiralne) dislokacije.

Jedna od osnovnih spoznaja fizike čvrstog stanja je ta, da svojstva metala ovise na jednoj strani o kristalnoj građi, a na drugoj o greškama kristalne rešetke. Pojam dislokacija uveden je 1934. Pri mehaničkom naprezanju kristala metala dolazi do plastične deformacije kod znatno manjih opterećenja, nego što bi se moglo očekivati na osnovi međuatomskih veza u savršenoj kristalnoj rešetki. Prvi rezultati mjerenja mehaničkih svojstava monokristala metala izazvali su mnoštvo teorijskih rasprava. Tako je Frenkel 1926. izračunao teorijsko kritično smicajno naprezanje jednog kristala metala uz pretpostavku, da se za vrijeme plastične deformacije struktura ne mijenja tj. da se deformacija zbiva istovremenim skliznućem susjednih atomskih ravnina za cjelobrojne periode kristalne rešetke. Na ovaj način izračunata teoretska vrijednost za kritično smicajno naprezanje bila je 10⁴ - 10⁵ veća od vrijednosti dobivenih eksperimentalnim putem, što je ujedno ukazivalo na krivu predodžbu o plastičnoj deformaciji metala. Značajan doprinos objašnjenju ove pojave dali su Smekal, Prandt i Dehlinger 1928. Prema njima, međusobni pomak dvaju ravnina kristalne rešetke dešava se na način da se lokalno izazove poremećaj, koji se zatim postepeno pomiče uzduž promatrane ravnine poput gibanja "nabora tepiha". Na površini kristala, pod djelovanjem smicajnog naprezanja, nastaje stepenica, koja se zatim kreće u unutrašnjost kristala, ali ne istovremenim već postepenim (sukcesivnim) pomicanje atoma. Ovakav poremećaj (greška) rešetke naziva se dislokacija.^[3]

Izvori

↑ Hong, J.; Hu, Z.; Probert, M.; Li, K.; Lv, D.; Yang, X.; Gu, L.; Mao, N. et al. (2015). "Exploring atomic defects in molybdenum disulphide monolayers". Nature Communications 6: 6293. Bibcode 2015NatCo...6E6293H. doi:10.1038/ncomms7293. PMC 4346634. PMID 25695374. //www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4346634/
↑ defekti čvrstog stanja, [1] "Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2015.
↑ [2] (Arhivirano 4. srpnja 2014.) "Fizikalna metalurgija I", dr.sc. Tanja Matković, dr.sc. Prosper Matković, www.simet.unizg.hr, 2011.

[1] Hong, J.; Hu, Z.; Probert, M.; Li, K.; Lv, D.; Yang, X.; Gu, L.; Mao, N. et al. (2015). "Exploring atomic defects in molybdenum disulphide monolayers". Nature Communications 6: 6293. Bibcode 2015NatCo...6E6293H. doi:10.1038/ncomms7293. PMC 4346634. PMID 25695374. //www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4346634/

[2] defekti čvrstog stanja, [1] "Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2015.

[3] [2] (Arhivirano 4. srpnja 2014.) "Fizikalna metalurgija I", dr.sc. Tanja Matković, dr.sc. Prosper Matković, www.simet.unizg.hr, 2011.

[1]

[2]

[3]