Difetti dei cristalli

In un cristallo gli atomi dovrebbero occupare posizioni reticolari predefinite nell’ambito della struttura cristallina, tuttavia tutti i cristalli mostrano difetti che ne influenzano le proprietà fisiche, meccaniche e tecnologiche.

I tipi di difetti presenti nei solidi possono essere classificati come:

1)      Difetti di punto

2)      Difetti di linea

3)      Difetti planari

I difetti di punto sono dovuti ad assenza di atomi o ioni nei nodi del reticolo cristallino o da presenza di atomi in posizioni interstiziali.

Una vacanza è caratterizzata dell’assenza di un atomo o di uno ione e si verifica all’atto della formazione del cristallo. Se un atomo adiacente alla vacanza si sposta per occupare il sito vacante, la vacanza si muove nella direzione opposta all’atomo che si è spostato. Quando vi è una vacanza, ad esempio di uno ione monopositivo, è presente, nel cristallo, una vacanza di uno ione mononegativo e il bilancio di carica è garantito. Una vacanza è chiamata  difetto di Schottky.

Il numero di vacanze aumenta in modo esponenziale con la temperatura secondo l’equazione:

Nv = Na e(-Qv/kT)

dove Na è è il numero totale di atomi presenti nel solido, Qv è l’energia richiesta per formare una vacanza, k è la costante di Boltzmann e T è la temperatura espressa in Kelvin.

Un difetto interstiziale si verifica quando un atomo è situato in uno spazio compreso tra gli atomi che occupano il reticolo cristallino; se tale atomo è uguale a quello di uno degli elementi del cristallo tale difetto viene detto autointerstiziale mentre se tale atomo è diverso dagli elementi del cristallo tale difetto viene detto impurezza.

vacanze

Spesso le impurezze vengono aggiunte al materiale per migliorarne le proprietà: ad esempio, l’aggiunta di piccole quantità di carbonio al ferro dà luogo all’acciaio che è più resistente del ferro, mentre l’aggiunta di impurezze di boro al silicio ne cambia le proprietà elettriche.

I difetti di linea sono costituiti da una dislocazione che separa una regione deformata del cristallo dalla restante regione indeformata.

Le dislocazioni sono difetti lineari del cristallo come ad esempio l’inserimento di un mezzo piano reticolare entro il reticolo cristallino edè interpretabile come un piano di atomi in più, infilato fra i normali piani reticolari. Nello scorrimento all’interno di un cristallo perfetto occorrerebbe vincere, simultaneamente, le attrazioni fra gli atomi in tutti i filari; in presenza di dislocazioni, invece, è coinvolto un filare di atomi alla volta e, quindi, lo scorrimento risulta più facile.

dislocazioni

Vi sono due tipi di dislocazione: dislocazione a spigolo e dislocazione a vite. Nella dislocazione a spigolo una porzione del reticolo, delimitata da un piano detto fronte di separazione o piano di scorrimento, scorre sulla porzione sottostante secondo una direzione parallela al piano. Si ha quindi una configurazione deformata, caratterizzata dal fatto che si ha un intero piano di atomi della porzione dislocata che non ha corrispondenza nella zona non dislocata e quindi, a causa del disordine locale che si verifica tra gli atomi disposti da una parte e dall’altra del piano si verifica uno stato di tensione. Nella dislocazione a vite lo scorrimento interessa solo una parte del cristallo.

I difetti di piano o di superficie comportano la presenza di interi piani cristallini difettivi e comprendono diversi tipi di imperfezioni. Si consideri che un cristallo ha una struttura policristallina essendo costituito da un aggregato di cristalli elementari detti grani. Grani diversi sono separati da una zona a simmetria irregolare detta giunto o bordo di grano che costituiscono un difetto del cristallo e tendono a diminuire la conducibilità termica ed elettrica.

In caso di sollecitazione esercitata può verificarsi una frattura che si propaga lungo il bordo dei grani (frattura intergranulare) o entro i grani stessi (frattura transgranulare).

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Author: Chimicamo

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