Imperfeições cristalinas, Notas de estudo de Materiais

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CSA26 –

Imperfeições em sólidos cristalinos

Imperfeição Cristalina

É uma imperfeição ou um "erro" no arranjo periódico regular dos átomos em um cristal. Podem envolver uma irregularidade:  na posição dos átomos;  no tipo de átomos.

Defeitos Pontuais

São descontinuidades localizadas nos arranjos atômicos ou iônicos (teoricamente considerados perfeitos) de uma estrutura cristalina. Embora sejam denominados pontuais, as imperfeições afetam uma região que envolve vários átomos ou íons.

Defeitos Pontuais

Essas imperfeições, podem ser criadas pelo movimento dos átomos ou íons, quando há aumento de energia decorrente de aquecimento, ou pela introdução de impurezas/dopantes. Impureza: elementos ou compostos químicos que se originam das matérias-primas durante o processamento; Dopante: elementos ou compostos químicos adicionados intencionalmente em concentrações conhecidas e locais específicos da estrutura. Em geral as impurezas apresentam efeito prejudicial e os dopantes apresentam efeito benéfico.

Lacuna ou Vacância

Envolve a falta de um átomo em um local esperado; São imperfeições formadas durante a solidificação do cristal (tratamento térmico ou por radiação), como resultado das vibrações dos átomos. Todos os materiais cristalinos apresentam lacunas e estas desempenham papel importante na taxa de difusão em materiais sólidos.

Lacuna ou Vacância

Efeito da temperatura: onde:

• n ν é o número de lacunas por cm 3 ;
• n é o número de átomos por cm 3 ;
• Q ν é a energia para se produzir um mol de lacunas, em cal/mol ou J/mol;
• R é a constante dos gases ( 1 , 987 cal/mol.K ou 8 , 314 J/mol.K);
• T é a temperatura (K)

Átomos substitucionais

Ocorre quando átomos “estranhos” são inseridos em posição normais da rede cristalina. Se o átomo for menor, a distância interatômica disponível para os átomos vizinhos aumenta; Se o átomo for maior, a distância interatômica disponível para os átomos vizinhos diminui; Resultado: sempre haverá perturbação da estrutura cristalina.

Cristais iônicos: Defeito de Frenkel e Schottky

Frenkel: Compreende um par lacuna-interstício que se forma quando um íon salta de um ponto normal na rede para um espaço intersticial; Schottky: É o respeito à estequiometria do sólido iônico, ou seja, quando para toda lacuna aniônica existe uma lacuna catiônica

Discordância em hélice

Pode-se ilustrar a discordância em hélice cortando parte de um cristal perfeito, e, então distorcendo o cristal por uma distância equivalente ao espaço de um átomo.

Discordância em aresta

Pode-se criar uma discordância em aresta cortando parte de um cristal perfeito, afastando as duas partes e preenchendo o corte com um semiplano adicional de átomos. A borda inferior desse plano inserido representa a discordância em aresta.

Defeitos superficiais

Os defeitos superficiais são contornos de grão ou planos cristalinos que dividem o material em regiões. Cada região possui a mesma estrutura cristalina, mas a orientação cristalográfica é diferente.

Superfície do material

As superfícies externas compreendem o defeito mais óbvio, sendo aquele onde o material acaba abruptamente. Devido ao rompimento de ligações atômicas as células unitárias podem estar desconfiguradas e a superfície pode apresentar rugosidade e entalhes.

Contorno de grão

Contorno de grão: Considerações

• Há um empacotamento atômico menos eficiente;
• Há uma energia mais elevada;
• Favorece a nucleação de novas fases (segregação);
• Favorece a difusão;
• O contorno de grão ancora o movimento das discordâncias.