Défaut interstitiel - Interstitial defect
Un défaut interstitiel est un type de défaut cristallographique ponctuel où un atome du même type ou d'un type différent occupe un site normalement inoccupé dans la structure cristalline . Lorsque l'atome est du même type que ceux déjà présents, on parle de défaut auto-interstitiel . En variante, de petits atomes dans certains cristaux peuvent occuper des sites interstitiels, tels que l' hydrogène dans le palladium . Les interstitiels peuvent être produits en bombardant un cristal avec des particules élémentaires ayant une énergie supérieure au seuil de déplacement pour ce cristal, mais ils peuvent également exister à de petites concentrations en équilibre thermodynamique . La présence de défauts interstitiels peut modifier les propriétés physiques et chimiques d'un matériau.
Auto-interstitiels
Les défauts auto-interstitiels sont des défauts interstitiels qui ne contiennent que des atomes identiques à ceux déjà présents dans le réseau.
La structure des défauts interstitiels a été déterminée expérimentalement dans certains métaux et semi - conducteurs .
Contrairement à ce à quoi on pourrait s'attendre intuitivement, la plupart des auto-interstitiels dans les métaux avec une structure connue ont une structure «divisée», dans laquelle deux atomes partagent le même site de réseau. Généralement, le centre de masse des deux atomes se trouve au site du réseau, et ils sont déplacés symétriquement à partir de celui-ci le long de l'une des directions principales du réseau . Par exemple, dans plusieurs métaux cubiques à faces centrées (fcc) communs tels que le cuivre, le nickel et le platine, la structure à l'état fondamental de l'auto-interstitiel est la structure interstitielle scindée [100], où deux atomes sont déplacés dans un sens positif et négatif. [100] direction du site du treillis. Dans le fer cubique centré sur le corps (Bcc), la structure interstitielle de l'état fondamental est de même un interstitiel divisé [110].
Ces interstitiels fendus sont souvent appelés haltère interstitiels, car traçant les deux atomes formant le interstitiel avec deux grandes sphères et une ligne épaisse qui les relie rend la structure ressemble à un haltère appareil de musculation.
Dans d'autres métaux bcc que le fer, la structure de l'état fondamental est supposée, d'après les calculs récents de la théorie fonctionnelle de la densité, être l'interstitiel de fouleion [111], qui peut être compris comme une longue chaîne (généralement 10 à 20) d'atomes le long de la [ 111] direction du réseau, compressée par rapport au réseau parfait de telle sorte que la chaîne contienne un atome supplémentaire.
Dans les semi-conducteurs, la situation est plus complexe, car les défauts peuvent être chargés et différents états de charge peuvent avoir des structures différentes. Par exemple, dans le silicium, l'interstitiel peut avoir une structure divisée [110] ou une structure tétraédrique véritablement interstitielle.
Le carbone, notamment dans le graphite et le diamant, a un certain nombre d'auto-interstitiels intéressants - récemment découvert en utilisant l'approximation de densité locale - les calculs sont le "spiro-interestitial" dans le graphite, nommé d'après le spiropentane , car l'atome de carbone interstitiel est situé entre deux basaux plans et liés dans une géométrie similaire au spiropentane.
Interstitiels d'impureté
Les petits atomes interstitiels d'impureté se trouvent généralement sur de vrais sites hors réseau entre les atomes du réseau. De tels sites peuvent être caractérisés par la symétrie de la position de l'atome interstitiel par rapport à ses atomes de réseau les plus proches. Par exemple, un atome d'impureté I avec 4 atomes de réseau les plus proches A voisins (à distances égales) dans un réseau fcc est dans une position de symétrie tétraédrique, et peut donc être appelé un interstitiel tétraédrique.
Les interstitiels à grande impureté peuvent également être dans des configurations interstitielles séparées avec un atome de réseau, similaires à ceux de l'atome auto-interstitiel.
Effets des interstitiels
Les interstitiels modifient les propriétés physiques et chimiques des matériaux.
- Les atomes de carbone interstitiels ont un rôle crucial pour les propriétés et le traitement des aciers, en particulier des aciers au carbone .
- Les interstitiels d'impureté peuvent être utilisés par exemple pour le stockage de l'hydrogène dans les métaux.
- Le réseau cristallin peut se dilater avec la concentration d'interstitiels d'impureté
- L'amorphisation de semi-conducteurs tels que le silicium pendant l'irradiation ionique est souvent expliquée par l'accumulation d'une forte concentration d'interstitiels conduisant finalement à l'effondrement du réseau lorsqu'il devient instable.
- La création de grandes quantités d'interstitiels dans un solide peut conduire à une accumulation d'énergie importante, qui lors du rejet peut même conduire à des accidents graves dans certains types anciens de réacteurs nucléaires ( effet Wigner ). Les états à haute énergie peuvent être libérés par recuit .
- Au moins dans le réseau fcc, les interstitiels ont un effet adoucissant diaélastique important sur le matériau.
- Il a été proposé que les interstitiels soient liés au début de la fusion et à la transition vitreuse .