4- IMPERFEIÇÕES CRISTALINAS

4- IMPERFEIES CRISTALINASASSUNTO- Defeitos pontuais - Defeitos de linha (discordncias)-Defeitos de interface (gro e maclas)- Defeitos volumtricos (incluses, precipitados)
Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS
O QUE UM DEFEITO?
uma imperfeio ou um "erro" no arranjo peridico regular dos tomos em um cristal. Podem envolver uma irregularidade na posio dos tomosno tipo de tomos O tipo e o nmero de defeitos dependem do material, do meio ambiente, e das circunstncias sob as quais o cristal processado.
IMPERFEIES ESTRUTURAIS
Apenas uma pequena frao dos stios atmicos so imperfeitosMenos de 1 em 1 milhoMenos sendo poucos eles influenciam muito nas propriedades dos materiais e nem sempre de forma negativa
IMPERFEIES ESTRUTURAIS- IMPORTNCIA-
IMPERFEIES ESTRUTURAIS Exemplos de efeitos da presena de imperfeies
O processo de dopagem em semicondutores visa criar imperfeies para mudar o tipo de condutividade em determinadas regies do materialA deformao mecnica dos materiais promove a formao de imperfeies que geram um aumento na resistncia mecnica (processo conhecido como encruamento) Wiskers de ferro (sem imperfeies do tipo discordncias) apresentam resistncia maior que 70GPa, enquanto o ferro comum rompe-se a aproximadamente 270MPa.
IMPERFEIES ESTRUTURAIS
So classificados de acordo com sua geometria ou dimenses
IMPERFEIES ESTRUTURAISDefeitos Pontuaisassociados c/ 1 ou 2 posies atmicasDefeitos linearesuma dimenso
Defeitos planos ou interfaciais (fronteiras) duas dimenses
Defeitos volumtricos trs dimenses
1- DEFEITOS PONTUAIS
Vacncias ou vaziostomos IntersticiaisSchottkyFrenkelOcorrem em slidos inicos
VACNCIAS OU VAZIOSEnvolve a falta de um tomoSo formados durante a solidificao do cristal ou como resultado das vibraes atmicas (os tomos deslocam-se de suas posies normais)
VACNCIAS OU VAZIOSO nmero de vacncias aumenta exponencialmente com a temperatura
Nv= N exp (-Qv/KT)Nv= nmero de vacnciasN= nmero total de stios atmicosQv= energia requerida para formao de vacnciasK= constante de Boltzman = 1,38x1023J/at.K ou 8,62x10-5 eV/ at.K
INTERSTICIAISEnvolve um tomo extra no interstcio (do prprio cristal)Produz uma distoro no reticulado, j que o tomo geralmente maior que o espao do interstcioA formao de um defeito intersticial implica na criao de uma vacncia, por isso este defeito menos provvel que uma vacncia
INTERSTICIAIStomo intersticial pequenotomo intersticial grandeGera maior distoro na rede
FRENKEL
Ocorre em slidos inicosOcorre quando um on sai de sua posio normal e vai para um interstcio
SCHOTTKY
Presentes em compostos que tem que manter o balano de cargasEnvolve a falta de um nion e/ou um ction
CONSIDERAES GERAISVazios e Schottky favorecem a difusoEstruturas de empacotamento fechado tem um menor nmero intersticiais e Frenkel que de vazios e Schottky
Porque necessria energia adicional para forar os tomos para novas posies
IMPUREZAS NOS SLIDOSUm metal considerado puro sempre tem impurezas (tomos estranhos) presentes
99,9999% = 1022-1023 impurezas por cm3
A presena de impurezas promove a formao de defeitos pontuais
LIGAS METLICASAs impurezas (chamadas elementos de liga) so adicionadas intencionalmente com a finalidade:aumentar a resistncia mecnicaaumentar a resistncia corrosoAumentar a condutividade eltricaEtc.
A ADIO DE IMPUREZAS PODE FORMARSolues slidas< limite de solubilidadeSegunda fase> limite de solubilidade
A solubilidade depende :TemperaturaTipo de impurezaConcentrao da impureza
Termos usados
Elemento de liga ou Impurezasoluto (< quantidade)
Matriz ousolvente Hospedeiro(>quantidade)
SOLUES SLIDASA estrutura cristalina do material que atua como matriz mantida e no formam-se novas estruturasAs solues slidas formam-se mais facilmente quando o elemento de liga (impureza) e matriz apresentam estrutura cristalina e dimenses eletrnicas semelhantes
SOLUES SLIDASNas solues slidas as impurezas podem ser:
- Intersticial- SubstitucionalOrdenadaDesordenada
SOLUES SLIDAS INTERSTICIAISOs tomos de impurezas ou os elementos de liga ocupam os espaos dos interstciosOcorre quando a impureza apresenta raio atmico bem menor que o hospedeiroComo os materiais metlicos tem geralmente fator de empacotamento alto as posies intersticiais so relativamente pequenasGeralmente, no mximo 10% de impurezas so incorporadas nos interstciosINTERSTICIAL
EXEMPLO DE SOLUO SLIDA INTERSTICIALFe + Csolubilidade mxima do C no Fe 2,1% a 910 C (Fe CFC)O C tem raio atmico bastante pequeno se comparado com o Fe
rC= 0,071 nm= 0,71 ArFe= 0,124 nm= 1,24 A
Solubilidade do Carbono no FerroO carbono mais solvel no Ferro CCC ou CFC, considerando a temperatura prxima da transformao alotrpica?ccc
cfc
TIPOS DE SOLUES SLIDASSUBSTITUCIONAISSUBSTITUCIONAL ORDENADASUBSTITUCIONAL DESORDENADA
FATORES QUE INFLUEM NA FORMAO DE SOLUES SLIDAS SUBSTITUCIONAISREGRA DE HOME-ROTHERYRaio atmicodeve ter uma diferena de no mximo 15%, caso contrrio pode promover distores na rede e assim formao de nova faseEstrutura cristalina mesmaEletronegatividade prximasValnciamesma ou maior que a do hospedeiro
EXEMPLO DE SOLUO SLIDA SUBSTICIONALCu + Niso solveis em todas as propores
2- DEFEITOS LINEARES: DISCORDNCIASAs discordncias esto associadas com a cristalizao e a deformao (origem: trmica, mecnica e supersaturao de defeitos pontuais)
A presena deste defeito a responsvel pela deformao, falha e ruptura dos materiais
2- DEFEITOS LINEARES: DISCORDNCIASPodem ser:
- Cunha- Hlice- Mista
VETOR DE BURGER (b)D a magnitude e a direo de distoro da rede
Corresponde distncia de deslocamento dos tomos ao redor da discordncia
2.1- DISCORDNCIA EM CUNHAEnvolve um SEMI-plano extra de tomosO vetor de Burger perpendicular direo da linha da discordnciaEnvolve zonas de trao e compresso
DISCORDNCIAS EM CUNHAFonte: Prof. Sidnei, DCMM, PUCRJ
DISCORDNCIAS EM CUNHAFonte: Prof. Sidnei, DCMM, PUCRJ
2.2- DISCORDANCIA EM HLICE
Produz distoro na redeO vetor de burger paralelo direo da linha de discordncia
DISCORDANCIA EM HLICE
2.2- DISCORDANCIA EM HLICEDISCORDNCIA EM HLICE NA SUPERFCIE DE UM MONOCRISTAL DE SiC. AS LINHAS ESCURAS SO DEGRAUS DE ESCORREGAMENT SUPERFICIAIS. (Fig. 5.3-2 in Schaffer et al.).
OBSERVAO DAS DISCORDANCIAS
Diretamente TEM ou HRTEM
IndiretamenteSEM e microscopia ptica (aps ataque qumico seletivo)
DISCORDNCIAS NO TEM
DISCORDNCIAS NO HRTEM
DISCORDNCIAS NO HRTEM
FIGURA DE ATAQUE PRODUZIDA NA DISCORDNCIA VISTA NO SEMPlano (111) do InSbPlano (111) do GaSb
CONSIDERAES GERAISA quantidade e o movimento das discordncias podem ser controlados pelo grau de deformao (conformao mecnica) e/ou por tratamentos trmicos Com o aumento da temperatura h um aumento na velocidade de deslocamento das discordncias favorecendo o aniquilamento mtuo das mesmas e formao de discordncias nicasImpurezas tendem a difundir-se e concentrar-se em torno das discordncias formando uma atmosfera de impurezas
CONSIDERAES GERAISO cisalhamento se d mais facilmente nos planos de maior densidade atmica, por isso a densidade das mesmas depende da orientao cristalogrfica As discordncias geram vacnciasAs discordncias influem nos processos de difusoAs discordncias contribuem para a deformao plstica
3- DEFEITOS PLANOSOU INTERFACIAIS
Envolvem fronteiras (defeitos em duas dimenses) e normalmente separam regies dos materiais de diferentes estruturas cristalinas ou orientaes cristalogrficas
3- DEFEITOS PLANOSOU INTERFACIAIS
Superfcie externaContorno de groFronteiras entre fasesMaclas ou TwinsDefeitos de empilhamento
3.1- DEFEITOS NA SUPERFCIE EXTERNA o mais bvioNa superfcie os tomos no esto completamente ligados Ento o estado energia dos tomos na superfcie maior que no interior do cristalOs materiais tendem a minimizar est energiaA energia superficial expressa em erg/cm2 ou J/m2)
3.2- CONTORNO DE GRO
Corres

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