Fmi tema 3

280 visualizações

Publicada em

0 comentários
0 gostaram
Estatísticas
Notas
  • Seja o primeiro a comentar

  • Seja a primeira pessoa a gostar disto

Sem downloads
Visualizações
Visualizações totais
280
No SlideShare
0
A partir de incorporações
0
Número de incorporações
2
Ações
Compartilhamentos
0
Downloads
2
Comentários
0
Gostaram
0
Incorporações 0
Nenhuma incorporação

Nenhuma nota no slide

Fmi tema 3

  1. 1. 3. Defeitos cristalinos e a sua importânciaFormando um cristal perfeito minimizamos a energia potencial total dos átomos nessaestrutura particular.O que acontece é crescido do líquido ou vapor, é o cristal sempre perfeito?O que acontece quando a temperatura é aumentada?O que acontece quando introduzimos impurezas no sólido?No existem cristais perfeitos: temos que compreender os tipos de defeitos que podem existir.Muitas vezes propriedades mecânicas e eléctricas dos sólidos são controladas pelos defeitos.
  2. 2. 3.1 Defeitos pontuais: lacunas e impurezasAcima do zero absoluto todos os cristais tem lacunas atómicas, átomos que não estão nosseus lugares da rede! necessárias para o equilíbrio térmico (defeitos termodinâmicos)As lacunas introduzem desordem no cristal: rompem a periodicidade perfeita do cristal.Teoria cinética molecular: todos os átomos vibram arredor das suas posições de equilíbriocom uma distribuição de energias parecida a distribuição de Boltzmann.Num instante pode haver um átomo com energia para romper as ligações e saltar para umlugar na superfície. Uma lacuna fica justo baixo a superfície. A lacuna pode agora difundirno interior do cristal quando os átomos difundem na lacuna.Ev: energia média necessária para criar a lacuna (vacancy).exp(-Ev/kT): fracção dos átomos do cristal que tem energiasuficiente para criar a lacuna.Com N: número de átomos por unidade de volume nocristal; a concentração de lacunas é:nv=N exp (-Ev/kT)Sempre haverá uma concentraçãode equilíbrio de lacunas a uma dadatemperatura.
  3. 3. Há outros processos que também creiam lacunas.Temos considerado a dimensão da lacuna igual a dimensão na rede do átomo que falta, o quenão é inteiramente certo: os átomos vizinhos podem “ocupar” parte do espaço deixado peloátomos: a rede arredor da lacuna estará distorcida em alguma dimensões atómicas e o volumeda lacuna será menor que o volume do átomo que falta: a)As lacunas são um tipo particular de defeitos pontuais, que geralmente envolvem distorçõesou câmbios na rede ou distorções de umas poucas distâncias atómicas: a), b), c), d).O cristal pode conter impurezas (naturais ou intencionadas)Impureza substitutiva: o átomo de impureza substituídirectamente um átomo da rede cristalina (solução sólidasubstitutiva): b) e c). Ex.: Si com pequenas quantidadesde As.a) b)c) d)Impureza intersticial: o átomo de impureza se situa em umlugar intersticial, num vazio entre os átomos hospedeiros: c).Ex.: C em Fe-BCC. Em geral, são menores que os átomoshospedeiros.Em geral, as impurezas tem diferente valência e tamanhoque os átomos do cristal. A rede é deformada arredor dosdefeitos pontuais.
  4. 4. FrenkeldefectSchottkydefectSubstitutionalimpurity.DoublychargedOs cristais iónicos (NaCl) contem aniões (Cl-) e catiões (Na+). Um tipo comum de defeitossão os defeitos Schottky: envolvem a falta de um par catião-anião (a neutralidademantêm-se). Estes defeitos são responsáveis pelas principaispropriedades ópticas e eléctricas deste tipo de cristais(alógenos alcalinos).Defeitos Frenkel: também ocorre nos cristais iónicosquando um ião hospedeiro é deslocado numa posiçãointersticial, ficando uma lacuna no lugar original. DefeitoFrenkel: ião + lacuna. Ex.: AgCl (Ag+ está na posiçãointersticial). A concentração destes defeitos é dada pelaexpressão anterior com uma Edefeito em lugar de uma Ev.Os cristais iónicos também podem ter impurezassubstituintes e intersticiais que são inonizadas narede. O cristal deve ficar neutro. Ex.: Mg2+ subtituí umião Na+ em NaCl ! ou ~falta um Na+ ou existe um Cl-adicional. Igualmente se um O2- substituí Cl-.O tipo mais provável de defeito depende da composição do cristal iónico e do tamanhorelativo e carga dos iões.
  5. 5. EdgedislocationlineCompressionTension3.2 Defeitos de linha: deslocações de aresta e helicoidaisDefeito de linha: quando um plano atómico termina no cristal em lugar de passar portodo o cristalOs planos vizinhos deste plano “curto” estão deslocadosrespeito aos planos baixo a linha: deslocação de aresta (ΤΤΤΤ).Os átomos arredor da deslocação tem sido deslocados das suasposições de equilíbrio no cristal perfeito: mais juntos acima dalinha de deslocação; mais separados abaixo da linha.Há um campo de deformações devido ao esticamento ecompressão das ligaçõesEnergia necessária para criar uma deslocação ~100 eVEnergia para formar um defeito pontual (uns poucosnm): uns poucos eV.Energeticamente mais favorável formar uns defeitospontuais que uma deslocação.As deslocação NÃO são defeitos de equilíbrio. Aparecemquando o cristal é deformado por uma tenção ou quandoo está a ser crescido
  6. 6. ADBCAtomsintheupperportion.Atomsin thelowerportion.Dislocationlinel i fi lACDDislocationlineDeslocação helicoidal: corte (shear) de uma parte do cristal com respeito a outra, por umadistância atómica. A deslocação acontece a ambos lados da linha de deslocação helicoidal.Seta circular: deslocação horizontal.Ao afastarmos da deslocação o átomos da partesuperior estão mais deslocados dos átomos da parteinferior. Na borde do cristal a separação é umadistância atómica.As deslocações de aresta e helicoidais sãogeralmente criadas por tensões resultadodo processamento térmico ou mecânico.DislocationlineUm defeito de linhapode ser uma misturade uma deslocação dearesta e uma helicoidal.
  7. 7. NewmoleculeDeslocações helicoidais ocorrem frequentemente nocrescimento dos cristais, que envolve empilhamentoatómico na superfície do cristal. Estas deslocaçõesajudam o crescimento oferecendo uma nova “aresta”para ligar novos átomos (mais ligações! podeminimizar a sua energia mais que em outro lugar dasuperfície).O crescimento acontece então em espiral arredor dadeslocação horizontal e a superfície cristalina reflexaesta geometria.Os fenómenos de deformação plástica ou permanente em metais depende totalmenteda presença e movimento das deslocações.Nos metais as deslocações aumentam a resistividade do material, aumentam o ruído emaparelhos semicondutores, etc.As deslocações podem ser controladas e praticamente eliminadas em cristaissemicondutores:*linhas de interconexão metálicas num chip: 104-105 linhas de deslocação per mm2 do cristal;*Si-cristal “wafer”: 1 linha de deslocação por mm2 de cristal.
  8. 8. 3.3 Defeitos planares: fronteiras de grãoMuitos materiais são poli cristalinos: muitos cristais pequenosorientados em direcções diferentes.GrainGrainboundary(c)(b)CrystalliteNucleiLiquid(a)Crescimento de cristais a partir da solução liquida (melt):a) Solidificação em núcleos (50-100 átomos)b) Pequenos cristais ou grãos.c) Grãos com formas e orientações irregularesFronteiras e grão: onde os cristais de diferentes orientaçõesse encontram.Os átomos nas fronteiras de grão não podem cumprir com osseus hábitos normais de ligação (a orientação do cristal cambiana fronteira). Também há lacunas e ligações rotas e esticadas.Ainda mais, há átomos fora de sitio, que não obedecem opadrão cristalina em ninguém dos lados da fronteira.A fronteira de grão é uma região de elevada energiapor átomo.
  9. 9. Strained bondBroken bond(dangling bond)Grain boundaryVoid, vacancySelf-interstitial type atomForeign impurityOs átomos podem difundir maisfacilmente ao longo duma fronteirade grão.As impurezas tendem-se a congregarnas fronteiras de grão.A região da fronteira de grão édesordenada.A temperatura ambiente o processo de difusão é lento, mais a elevadas temperaturas adifusão atómica permite o crescimento de grandes grãos (grain coarsening) aexpensas dos grãos pequenos, reduzindo a área das fronteiras de grão.O tamanho de grão pode ser controlado (ciclos de tratamento térmico), e assim aspropriedades mecânicas e eléctricas dos materiais.Energia dum átomo na fronteira e grão > energia dum átomo no grãoAs fronteiras são defeitos de não-equilíbrio e tratam de reduzira suas dimensão para reduzir a a energia potencial da estruturatotal.
  10. 10. 3.4 Superfícies cristalinas e propriedades das superfíciesNa descrição das estruturas cristalinas assumimos que a periodicidade é até o infinito.Na prática todas as substancias tem superfícies reais.Na superfície os átomos não podem cumprir os requerimentos de ligação.BulkCrystalSurfaceDanglingbondOSiHAbsorbedOxygen CapturedelectronSurfaceAtomsH2O Adsorbed moleculesH2OCristal de Si (2D hipotético).Cada átomo tem 4 ligaçõescovalentes, cada ligação com2 electrões. Na superfície osSi ficam com dangling bonds(ligações “penduradas” no ar):ligações meio cheias, só comum electrão.Átomos de H podem ser absorvidos (ligados quimicamente com átomos da superfície) poruma ligação covalente. Uma molécula H2 ou de agua pode ser absorvida por meio dumaligação secundaria (va der Waals).Se há electrões livres estes podem ser capturados pelos dangling bonds (e.g., contacto Sicom um metal).
  11. 11. StepEdgeHoleAtom onsurfaceCornerScrewdislocationCreviceNa tecnologia micro electrónica, e.g., as superfícies dos Si-wafers tem que ser tratadas(etched e oxidada para formar SiO2 , camada passiva).A estrutura da superfície depende grandemente de como foi formada, o que sempreenvolve processamento mecânico e térmico, assim como exposição ao ambiente.Visualização (modelo de Kossel): a superfície tem bordas (ledges), torções (kinks),deslocações......, e impurezas que podem difundir na superfície.As dimensões das varia imperfeições depende de como foi gerada a superfície.
  12. 12. 3.5 Estequiometria, não-estequiometria, e estruturas de defeituosas (“defect structure”)Compostos estequiométricos: tem uma razão inteira de átomos (e.g., CaF2: 2 átomos F seligam com 1 átomo Ca)ZnO estequiométrico (a), tem igual número de aniões O2- que de catiões Zn2+. Cristal neutro.ZnO não-estequiométrico com excesso de Zn (b). O excesso de Zn produz no cristal catiõesZn2+ intersticiais e electrões livres (que não podem ser tomados pelos átomos de oxigénio, quesão todos aniões O2-). Estes electrões contribuem à condutividade eléctrica. O cristal é neutro.A estrutura é uma estrutura de defeituosa (defect structure), pois devia-se da estequiometria.(a)O2–Zn2+"Free" (or mobile) electronwithin the crystal.(b)

×