Chuong7 2

CHƯƠNG KHUYẾT TẬT TRONG CẤU TRÚC 7.1 Khái niệm • Cấu trúc tinh thể vật liệu thường gồm số lớn nguyên tử chứa thể tích nhỏ nên dễ xảy sai lệch xếp nguyên tử Ví dụ: Với Fe (Bcc), a = 2,87.10-8cm, n = 2, có 2/(2,87.10-8)3 = 8,5.1022 ngtử/cm3 • Các sai lệch xếp nguyên tử gọi khuyết tật, trật tự, sai lệch, sai hỏng, sai sót (defect) tồn dạng:  Sai lệch nguyên tử riêng lẽ gọi khuyết tật điểm (Point defects)  Sai lệch dãy nguyên tử gọi khuyết tật đường (Linear defects)  Sai lệch mặt nguyên tử gọi khuyết tật mặt (Planar defects)  Sai lệch cụm nguyên tử gọi khuyết tật thể tích (Volume defects) • Trong thực tế để sản xuất vật liệu quy mô cơng nghiệp thường khó đạt độ tinh khiết 100%, sản phẩm thường chứa tạp chất • Ngồi vài trường hợp, để nhận tính chất vật liệu, người ta lại cố ý thêm vào nguyên tử khác (thường gọi phụ gia) • Trong giáo trình này, người ta xem nguyên tử lạ dù thêm vào vô tình hay cố ý tạo khuyết tật gọi tạp chất Ví dụ: Thêm Sn, Bi vào Pb để giảm nhiệt độ nóng chảy (làm vật liệu hàn) • Các khuyết tật (sai lệch tạp chất) ảnh hưởng lớn đến tính chất vật liệu Ví dụ: Độ dẫn điện Si thêm lượng nhỏ P để tạo bán dẫn loại n độ dẫn điện tăng lên đáng kể 7.2 Khuyết tật điểm 7.2.1 Tạo nút trống, nguyên tử xen kẽ (Vacancies, interstitials) • Trong tinh thể, nguyên tử ln dao động xung quanh vị trí cân • Khi số ngun tử có lượng đủ lớn, biên độ dao động lớn, bứt khỏi vị trí cân để lại nút trống • Sau rời khỏi vị trí cân bằng, nguyên tử xen kẽ nút mạng (tạo nút trống nguyên tử xen kẽ theo chế sai hỏng Frenkel) • Ngun tử di chuyển biên giới tinh thể tạo nút trống (tạo nút trống theo chế sai hỏng Schottky) • Các nút trống nguyên tử xen kẽ không đứng yên mà trao đổi vị trí với nguyên tử bên cạnh theo chế khuếch tán chất rắn (khuếch tán nhờ ion xen kẽ di chuyển nhờ trao đổi nút trống) 7.2.2 Tạp chất • Các nguyên tử tạp chất thay nguyên tử nút mạng xen kẽ nút mạng • Nói chung lỗ trống, nguyên tử xen kẽ, tạp chất làm mạng tinh thể bị xô lệch tạo khuyết tật điểm 7.2.3 Khuyết tật điểm cấu trúc tinh thể ion 7.2.3.1 Ký hiệu khuyết tật điểm theo Krưger – Vink Giả sử có mạng MX tạp chất LY M M M X M X M X X M Y X M X M X M X L M M X M X X X M X X, M: anion, cation hóa trị Y, L: anion, cation hóa trị Tích điện dương  ; dương    âm  ; âm   7.2.3.2 Nguyên tắc trật tự • Ngun tắc trung hịa điện: điện tích dương = điện tích âm • Ngun tắc bảo tồn vật chất Ví dụ: Khi thêm CaCl2 vào NaCl CaCl2  Ca.Na Ca thay Na + 2ClCl + Cl vị trí V'Na Trống 1Na 7.2.3.3 Các loại trật tự thường gặp a) Sai hỏng Frenkel cation: M vào vị trí xen kẻ, để lại trống M M X M X M X X M M i  VM' 0 M X M X X X X M VX  X'i 0 b) Sai hỏng Frenkel anion: X vào vị trí xen kẻ, để lại trống X c) Sai hỏng Schottky: Trống M có trống X M X M X M X X X M M VX  VM' 0 7.2.4 Mật độ khuyết tật Đối với mạng tinh thể có loại nguyên tử (kim loại, kim cương, graphit) 7.2.4.1 Số nút trống N v N T exp( Q fv / RT ) Nv: số nút trống nhiệt độ T ( 0K), (R = 8,31 J / mol 0K) NT: tổng số nút mạng (= tổng số nút trống + tổng số nút chứa nguyên tử) Qfv: lượng hoạt hóa để tạo nút trống (= lượng để đẩy nguyên tử khỏi vị trí cân nó) (J/ mol) 7.2.4.2 MậtNđộ nút trống v Cv  exp( Q fv / RT ) NT • Số nguyên tử xen kẽ mật độ nguyên tử xen kẽ tính nút trống, thay Qfv Qfi (năng lượng hoạt hóa để tạo nguyên tử xen kẽ) 10