آشنایی با انواع نقص در بلورها

۱- مقدمه

مطالبی که در مورد ساختارهای بلوری در مقالات شبکه های بلوری و مفاهیم اولیه بلورشناسی گفته شد، با فرض کاملا ایده‌آل بیان شده است و عملا در طبیعت چنین ساختارهای ایده‌آلی وجود ندارد. مواد بلوری در حالت طبیعی دارای نقص‌های مختلف همچون نقص‌های نقطه‌ای، خطی، سطحی و حتی حجمی هستند. در ادامه این نقص‌ها توضیح داده خواهد شد.

۲- نقص‌ها در بلور

در ساختارهای بلوری همان‌طور که گفته شد نقص‌های (یا به بیان دیگری عیوب) مختلفی می‌توانند وجود داشته باشند. این نقص‌ها و بازه اندازه آنها در شکل ۱ نمایش داده شده است. در ادامه هرکدام از این نقص‌ها معرفی و بررسی می‌شوند.

شکل ۱- عیوب مختلف در بلور و بازه اندازه‌ی آن‌ها [۱]

۱-۲- نقص‌های نقطه‌ای (صفر بعدی)

۱-۱-۲- نقص جای‌خالی ^[۱]

به صورت طبیعی در تمام جامدات بلوری نقص جای‌خالی وجود دارد. هرچه دما افزایش یابد میزان نقص جای خالی افزایش پیدا می‌کند؛ این افزایش تا نقطه ذوب ماده ادامه می‌یابد چرا که با رسیدن به نقطه ذوب کلا ساختار بلوری ماده از بین می‌رود [۲].

وجود جاهای خالی بسیار به پدیده نفوذ در ماده بلوری کمک می‌کند. در واقع با کمک جاهای خالی است که اتم‌ها می‌تواند در ماده بلوری از جایی به جای دیگر نفوذ کنند، این اتم های نفوذ کننده می‌توانند از جنس اتم‌های ساختار بلوری باشند و یا از جنس اتم‌های ساختار بلوری نباشند.  نقص جای خالی در یک ساختار بلوری، در شکل۳ نمایش داده شده است.

شکل ۲- نمایش جای‌خالی در یک ساختار بلوری [۲]

همان‌طور که مشاهده می‌شود ابعاد این نقص در حد اندازه یک اتم است (آنگستروم). با وجود جای‌خالی در ساختار بلوری، همان‌طور که در شکل ۲ مشاهده می‌شود، اتم‌های همسایه به سمت جای‌خالی متمایل می‌شوند.

۲-۱-۲- نقص بین‌نشین ^[۲]

نقص بین‌نشین در شکل ۳ نمایش داده شده است. در این حالت اتم دیگری وارد شبکه بلوری شده است و در اثر وجود آن اعوجاجی در شبکه بلوری به وجود آمده است. با توجه به فضای خالی بسیار کم بین اتم‌ها، تنها اتم‌هایی که شعاع اتمی کوچکی دارند می‌توانند در شبکه کریستالی عنصر میزبان بین‌نشین شوند. از این رو تنها اتم‌های کربن، هیدروژن، اکسیژن، نیتروژن و فلوئور می‌توانند در نقش عنصر بین نشین (عنصر مهمان) باشند [۲].

شکل ۳- نمایش اتم بین‌نشین در یک ساختار بلوری [۲]

علاوه بر حالت فوق، بین‌نشینی اتم خودی نیز می‌تواند اتفاق بیفتد. یعنی به جای اینکه اتم دیگری وارد شبکه بلوری بشود، یکی از اتم‌های موجود در ساختار بلوری از جایش جدا شود و یک جای‌خالی ایجاد کند و به صورت اتم بین‌نشین به جای دیگری از شبکه بلوری برود. این حالت در شکل ۴ نمایش داده شده است.

شکل ۴- بین‌نشینی اتم خودی در شبکه بلوری و ایجاد یک جای‌خالی [۲]

اما بین‌نشینی اتم خودی به ندرت در یک شبکه بلوری اتفاق می‌افتد؛ دلیل آن این است که کنده شدن اتم از یک مکان بلوری شبکه و حرکت تا مکان دیگری که به صورت بین‌نشین در آنجا قرار بگیرد و مخصوصا ایجاد اعوجاج بزرگ در مکان بین‌نشینی، انرژی بسیار زیادی می‌خواهد. در نتیجه بین‌نشینی اتم خودی به ندرت و فقط در دماهای بالا و نزدیک نقطه ذوب ماده اتفاق می‌افتد و اگر هم این انرژی فراهم شود باعث ایجاد کرنش موضعی زیادی در نقطه‌ای که بین‌نشین شده است می‌شود [۲].

قابل ذکر است که وجود اتم بین‌نشین از هر حالتی باعث ایجاد تنش‌های موضعی فشاری در آن جایگاه می‌شود.

۳-۱-۲- نقص جانشینی ^[۳]

مطابق شکل ۵ مشاهده می‌شود که در این حالت اتمی از خارج در شبکه بلوری به جای یکی از اتم‌های شبکه بلور جانشین می‌شود. برای مثال می‌توان به جانشینی اتم مس در شبکه بلور نیکل (با ساختار FCC) به جای یکی از اتم‌های نیکل اشاره کرد [۲].

شکل ۵- وجود اتم جانشین شده در دو حالت الف- بزرگتر و  ب- کوچکتر از اتم‌های شبکه بلوری میزبان [۲]

همان‌طور که در شکل ۵ مشاهده می‌شود اتم جانشین شده چه اندازه بزرگتر و چه اندازه کوچکتری از اتم‌های شبکه میزبان داشته باشند، باعث ایجاد اعوجاج در شبکه و درنتیجه تنش موضعی در مکان جانشینی می‌شوند. حال اگر اتم جانشین شده بزرگتر از اتم‌های شبکه بلور باشد باعث ایجاد تنش موضعی فشاری و اگر اندازه اتم جانشین شده کوچکتر باشد باعث ایجاد تنش موضعی کششی در آن نقطه می‌شود.

۴-۱-۲- نقص‌ها در شبکه‌های دارای بار الکتریکی

در شبکه‌هایی مثل نمک طعام که دارای کاتیون‌های سدیم و آنیون‌های کلر است، در صورتی که ایجاد نقص در یکی از دو جزء تعادل بار الکتریکی در شبکه بلوری بر هم می‌خورد و سیستم در صدد جبران آن برمی‌آید.

برای مثال فرض کنید در یک سیستم یونی یک جای‌خالی مربوط به کاتیون وجود دارد. در این حالت بار کلی منفی می‌شود و در نتیجه هنگامی تعادل الکتریکی برقرار می‌شود که یک جای‌خالی مربوط به آنیون نیز اطراف آن قرار بگیرد. در این حالت که یک جای‌خالی مربوط به آنیون و یک جای‌خالی مربوط به کاتیون در شبکه بلور به‌وجود می‌آید عیب شاتکی^[۴] گفته می‌شود که در شکل 6 نمایش داده شده است [۲].

شکل ۶- نمایش عیب شاتکی

در حالت دیگر مثلا وقتی که یک جای‌خالی مربوط به کاتیون وجود داشته باشد، برای برقراری تعادل الکتریکی می‌تواند یک کاتیون به صورت بین‌نشین وارد شبکه بلوری شود تا بار الکتریکی نهایی خنثی شود. در این حالت عیب فرنکل ^[۵]به‌وجود می‌آید. این عیب در شکل ۷ نمایش داده شده است. هم‌چنین در شکل ۷ این عیب و عیب شاتکی را با یکدیگر می‌توانید مقایسه کنید [۲].

شکل ۷- نمایش عیب فرنکل و عیب شاتکی به صورت هم‌زمان در یک ترکیب یونی [۲]

۲-۲- نقص‌های خطی (یک‌بعدی)

به نقص‌های خطی در شبکه بلوری، نابجایی ^[۶] گفته می‌شود که تاثیر قابل توجهی روی خواص مواد به ویژه خواص مکانیکی آن‌ها دارد. در بسیاری از مواد به ویژه فلزات، تغییرشکل پلاستیک و نقاط تسلیم مستقیما تحت تاثیر خواص نابجایی‌ها می‌باشد. درنتیجه آشنایی با آن‌ها و ویژگی‌های آن‌ها در خواص مکانیکی مواد اهمیت فراوانی دارد [۱].

نابجایی‌ها می‌توانند به صورت پله‌ای، پیچی و یا مخلوطی از آن دو باشد. نابجایی‌های پله‌ای^[۷] و پیچی^[۸] در شکل ۸ نمایش داده شده‌اند.

شکل ۸- نمایش نابجایی پله‌ای و پیچی

نابجایی پله‌ای در اثر وجود یک نیم‌صفحه اضافی در ساختار بلوری ایجاد می‌شود؛ نابجایی پیچی نیز در اثر وارد نمودن تنش برشی به شبکه مشابه شکل ۸ ایجاد می‌شود؛ در این شکل دیده می‌شود که سمت راست به اندازه یک فاصله اتمی نسبت به سمت چپ به پایین حرکت کرده است و یک نابجایی پیچی به وجود آورده است.

نابجایی‌های را به دلیل اندازه بسیار کوچک آنها با میکروسکوپ‌های الکترونی عبوری مشاهده می‌کنند.

۳-۲- نقص‌های سطحی (دوبعدی)

با بزرگتر شدن اندازه نقص، به عیوب دو بعدی می‌رسیم که اندازه آنها می‌تواند نسبت به عیوب صفربعدی و یک‌بعدی که در حد فواصل اتمی بودند بسیار بزرگتر باشد و حتی به سانتی‌متر برسد. از جمله عیوب دوبعدی که به صورت سطح یا فصل مشترک می‌توانند باشند، به سطح آزاد بلور، مرزدانه‌ها در بلور، مرز بین دو فاز مختلف در بلور و مرز دوقلویی^[۹] می‌توان اشاره کرد. منظور از مرز دوقلویی مرزی است که در دو طرف آن بین اتم‌های بلور تقارن آینه‌ای وجود داشته باشد. این مورد در شکل ۹ نمایش داده شده است [۳].

شکل ۹- نمایش مرز دوقلویی در یک بلور و وجود تقارن آینه‌ای در دو طرف آن

مرزدانه‌ها نیز از جمله عیوبی هستند که بسیار بر روی خواص فیزیکی و شیمیایی ماده تاثیر دارند. برای مثال از مرزدانه‌ها به عنوان مکان مناسب برای شروع خوردگی نام برده می‌شود. هم‌چنین در دمای اتاق وجود مرزدانه‌ها باعث افزایش استحکام ماده می‌شود، چرا که از تغییر شکل پلاستیک جلوگیری می‌کند (در اثر محدودسازی حرکت نابجایی‌ها)؛ از طرف دیگر در دمای بالا حضورشان باعث تغییرشکل پلاستیک (در اثر خزش) می‌شود. هم‌چنین به علت تغییر جهت‌گیری اتم‌ها در مرزهای دانه، تاثیر مخربی روی هدایت الکتریکی و حرارتی می‌گذارند. در ساخت مواد بلوری (به ویژه فلزات) کنترل میزان مرزدانه‌ها اهمیت فراوانی دارد. بسیاری از فرآیندها برای کنترل اندازه دانه و میزان مرزدانه انجام می‌شوند که دلیل آن نیز اهمیت مرزدانه در خواص فیزیکی و شیمیایی مواد بلوری است.

یکی دیگر از عیوب دوبعدی، نقص چیدمان^[۱۰] است که در شکل ۱۱ نمایش داده شده است.

شکل ۱۰- نمایش ساختار کریستال FCC بدون عیب و ساختار FCC دارای نقص چیدمان

همان‌طور که در شکل۱۰ مشاهده می‌شود، نقص چیدمان در اثر اضافه شدن یا کم شدن صفحات بلوری ایجاد می‌شود. برای مثال در شکل۱۰ ساختار کریستالی FCC نمایش داده شده است. در ساختار کریستالی FCC توالی صفحات به صورت ABC است (در جهت صفحات (۱۱۱) ). حال اگر صفحاتی در این توالی اضافه و یا کم شوند، نقص چیدمان به وجود می‌آید. برای مثال در شکل۱۰ مشاهده می‌شود که در این توالی، یک صفحه c حذف شده است و به این واسطه نقص چیدمان به وجود آمده است.

۴-۲- نقص‌های حجمی (سه‌بعدی)

این نقص‌ها ابعاد بزرگی دارند و نسبت به عیوب دیگر راحت‌تر می‌توان با کنترل شرایط تولید بلور از تشکیل آن‌ها جلوگیری نمود. از جمله این عیوب، می‌توان به وجود حفره یا ترک در ماده بلوری و یا ناخالصی اشاره کرد. دقت کنید که ناخالصی مذکور در اینجا ابعاد بزرگی دارند و قابل مقایسه با اتم ناخالصی‌ای که مثلا می‌تواند بین‌نشین یا جانشین شود نیست، بلکه به‌صورت توده‌ای ناخالصی متشکل از تعداد بسیار زیادی اتم است [۳].

شکل ۱۱- نمایش حفرات (عیب سه‌بعدی) در تصویر SEM

شکل۱۱ حفراتی را درون ساختار ماده نشان داده است. همان‌طور که مشاهده می‌کنید با توجه به مقیاس تصویر، اندازه حفرات حدودا نیم میکرومتر است. برای مقایسه حفره با جای‌خالی باید گفت که اندازه جای‌خالی در حد و اندازه اتم‌هاست و نسبت به این حفراتی که نمایش داده شده است حدودا هزار برابر کوچکتر است.

۳- جمع‌بندی و نتیجه‌گیری

در درون یک شبکه بلوری نقص‌های مختلفی می‌تواند وجود داشته باشد. این نقص‌ها باتوجه به اندازه و هندسه‌شان به نقص‌های صفربعدی، یک‌بعدی، دوبعدی و سه‌بعدی تقسیم می‌شوند. حضور هر یک از این نقص‌ها در بلور، تاثیر خاص خود را بر روی خواص فیزیکی و شیمیایی می‌تواند بگذارد. از جمله عیوب صفربعدی می‌توان به عیب جای‌خالی، بین‌نشینی و جانشینی اشاره نمود. عیب نابجایی پله‌ای و پیچی را نیز می‌توان به عنوان عیب یک‌بعدی نام برد. هم‌چنین از جمله عیوب دوبعدی نیز می‌توان به سطوح آزاد، مرزدانه‌ها و مرز دوقلویی اشاره نمود. عیب‌های سه‌بعدی نیز عبارتند از ناخالصی‌ها، حفرات و ترک‌ها در بلور ماده.

برای مطالعه مطالب علمی بیشتر به صفحه مقالات آموزشی سایت باشگاه نانو مراجعه نمایید.

۴- مراجع

[1]. Allen, Samuel M., and Edwin L. Thomas. The structure of materials. Vol. 44. New York: Wiley, 1999.

[2].Callister, William D., and David G. Rethwisch. Materials science and engineering: an introduction. Vol. 7. New York: John wiley& sons, 2007.

[3]. De Graef, Marc, and Michael E. McHenry. Structure of materials: an introduction to crystallography, diffraction and symmetry. Cambridge University Press, 2012.

۵- پاورقی‌ها

[1]Vacancy Defect

[2]Interstitial Defect

[3]Substitutional Defect

[4] Schottky

[5]Frenkel

[6] Dislocation

[7] Edge

[8] Screw

[9] Twin boundary

[10]Stacking Fault