В материаловедении интерстициальный дефект — это тип точечного кристаллографического дефекта, при котором атом того же или другого типа занимает интерстициальное положение в кристаллической структуре. Когда атом имеет тот же тип, что и уже присутствующие, они известны как самоинтерстициальный дефект. В качестве альтернативы, небольшие атомы в некоторых кристаллах могут занимать интерстициальные положения, например, водород в палладии. Интерстициальные элементы могут быть получены путем бомбардировки кристалла элементарными частицами, имеющими энергию выше порога смещения для этого кристалла, но они также могут существовать в малых концентрациях в термодинамическом равновесии. Наличие интерстициальных дефектов может изменять физические и химические свойства материала.
История
Идея интерстициальных соединений возникла в конце 1930-х годов, и их часто называют фазами Хагга по имени Хагга. Переходные металлы обычно кристаллизуются либо в гексагональной плотноупакованной, либо в гранецентрированной кубической структуре, обе из которых можно считать состоящими из слоев гексагонально плотноупакованных атомов. В обеих этих очень похожих решетках есть два вида междоузлий, или отверстий:
Ранние исследователи предполагали, что:
Они рассматривались не как соединения, а скорее как растворы, скажем, углерода в металлической решетке, с предельной верхней «концентрацией» меньшего атома, которая определялась числом доступных пустот.
Текущий
Более детальное изучение структур металлов, а также двойных и тройных фаз металлов и неметаллов показывает, что:
Одним из примеров является растворимость углерода в железе. Форма чистого железа, стабильная между 910 °C и 1390 °C, γ-железо, образует твердый раствор с углеродом, называемый аустенитом, который также известен как сталь.
Межстраничные объявления
Собственные межузельные дефекты — это межузельные дефекты, которые содержат только те же атомы, что уже присутствуют в решетке.
Структура межузельных дефектов экспериментально определена в некоторых металлах и полупроводниках.
Вопреки тому, что можно было бы интуитивно ожидать, большинство самоинтерстициалов в металлах с известной структурой имеют «расщепленную» структуру, в которой два атома разделяют один и тот же узел решетки. Обычно центр масс двух атомов находится в узле решетки, и они смещены симметрично от него вдоль одного из главных направлений решетки. Например, в нескольких распространенных гранецентрированных кубических (ГЦК) металлах, таких как медь, никель и платина, структура основного состояния самоинтерстициала является расщепленной междоузлиевой структурой, где два атома смещены в положительном и отрицательном направлении от узла решетки. В объемно-центрированном кубическом (ОЦК) железе структура основного состояния интерстиция также является расщепленной междоузлией.
Эти разделенные интерстиции часто называют гантелеобразными интерстициями, поскольку изображение двух атомов, образующих интерстицию, с помощью двух больших сфер и толстой линии, соединяющей их, делает структуру похожей на устройство для поднятия тяжестей в виде гантели.
На основании недавних расчетов теории функционала плотности считается, что в других ОЦК-металлах, кроме железа, структура основного состояния представляет собой междоузельный краудион, который можно понимать как длинную цепочку (обычно около 10–20) атомов вдоль направления решетки, сжатую по сравнению с идеальной решеткой, в которой цепочка содержит один дополнительный атом.
В полупроводниках ситуация сложнее, поскольку дефекты могут быть заряжены, а различные зарядовые состояния могут иметь разные структуры. Например, в кремнии интерстициал может иметь либо расщепленную структуру, либо тетраэдрическую истинно интерстициальную.
Углерод, особенно в графите и алмазе, имеет ряд интересных собственных междоузлий. Недавно с помощью расчетов приближения локальной плотности был обнаружен «спиро-междуузельный» атом в графите, названный в честь спиропентана, поскольку междоузельный атом углерода расположен между двумя базальными плоскостями и связан в геометрии, аналогичной спиропентану.
Примеси интерстициальные
Небольшие примесные межузельные атомы обычно находятся на истинных межузельных участках между атомами решетки. Крупные примесные межузельные атомы также могут находиться в расщепленных межузельных конфигурациях вместе с атомом решетки, подобно конфигурациям собственного межузельного атома.
Эффекты межстраничных объявлений
Междоузлия изменяют физические и химические свойства материалов.
