نقص بلوری چيست؟

[*مینا*]

در مقاله «ريز ساختار چيست؟»در مورد عدم يک پارچگي نظم شبکه بلوري در موادي که به صورت توده اي در اطراف مان وجود دارند مفصلا صحبت کرديم و گفتيم که نظم ساختار مواد، تنها در قسمت هايي مستقل و کوچک مشاهده مي شود که به صورت کاملا نا منظم در کنار يکديگر قرار مي گيرند و تود‌‌‌‌ه ماده را شکل مي دهند. براي به ياد آوردن اين موضوع مي توانيد به شکل 1 مراجعه کنيد:

شکل 1- طرحي ساده از ريزساختار

همانطور که در شکل بالا ديده مي شود، هر رنگ نشان دهنده قسمتي از ماده است که داراي ساختار منظم مي باشد و اين نظم درکل توده حفظ نشده است ؛ هر يک از اين قسمت هاي منظم را «دانه» مي ناميم.
پس از اين مقدمه مختصرـ که مروري بر بحث ريزساختار و اهميت آن در تعيين خواص مواد بود ـ اين پرسش جدي مطرح مي شود که آيا نظم اتم ها و يون ها در هر دانه ـ که بر اساس ساختار ماده شکل مي گيردـ نظمي کامل و بدون نقص است يا اين که ممکن است در هر کدام از اين دانه ها نيز کاستي هايي وجود داشته باشد؟!
در پاسخ بايد گفت که: بله! در شبکه بلوري اين دانه ها هم نقص هايي ديده مي شود!
شايد بخواهيد بدانيد که نقص بلوري چيست؟

نقص بلوري عبارتست از بي نظمي اتم ها و يون ها در شبکه بلوري مواد. اين بي نظمي به صورت فقدان اتم ها و يون ها در محل و موقعيت خود و يا به صورت قرار گرفتن اتم ها و يون ها در مکاني غير از جايگاه اصلي خود، ديده مي شود.

به عبارت ساده تر گاهي اتم ها و يون ها در جايي که بايد باشند، نيستند و در جايي که نبايد باشند ديده مي شوند.
حال ممکن است اين سوال مطرح شود که: مگر ادعا نکرديم در هر دانه (هر کدام از بخش هاي رنگي شکل 1) يک شبکه بلوري منظم وجود دارد. پس با توجه به اينکه نقص هاي بلوري از نوعي بي نظمي در شبکه بلوري حکايت مي کنند، رابط‌‌‌‌ه نظم موجود در هر دانه با بي نظمي حاصل از نقص هاي بلوري چگونه خواهد بود؟ آيا بي نظمي ناشي از نقص بلوري نظم شبکه بلوري دانه را برهم نمي زند؟
در پاسخ به پرسش فوق اين نکته را بايد دانست که نظم موجود در يک دانه نظمي کلي است که تمامي وسعت آن را در بر مي گيرد، در حالي که بي نظمي هاي حاصل از نقص هاي بلوري، جزئي است و در يک محدود‌‌‌‌ه کوچک نظم را از بين مي برد. بنابراين در يک دانه يک نظم کلي وجود دارد که به موجب عيوب و نقص هاي بلوري، بي نظمي هايي در برخي از نقاط آن ايجاد شده است. پس اين بي نظمي هاي جزئي نمي تواند ناقض نظم کلي يک دانه شود.

حال براي اين که تصور بهتر و دقيق تري نسبت به عيب ها وکاستي هاي شبکه بلوري مواد پيدا کنيد به معرفي برخي از آنها مي پردازيم. اگر کره هاي قرمز رنگ را به عنوان يون هاي مثبت (کاتيون) و کره هاي آبي رنگ را به عنوان يون هاي منفي(آنيون) فرض کنيم يک شبکه بلوري بدون عيب و کامل به صورت شکل 2 خواهيم داشت:

شکل 2-طرحي ساده از يک شبکه بلوري کامل و بدون نقص

نقص هاي شبکه بلوري بيشتر به صورت خارج شدن يون ها از محل خود بروز مي کنند که در تصاوير زير مي توانيم دو نمونه از آنها را مشاهده کنيم؛ اين نقص ها را اصطلاحا نقص «جاي خالي» مي نامند.

شکل 3- طرحي ساده از نقص جاي خالي کاتيوني

شکل 3 نشان دهنده عدم وجود يک يون مثبت يا کاتيون در محل خود است. اگر شکل 3 را شبکه بلوري نمک طعام (NaCl) در نظر بگيريم (به عنوان مثال) ، نقص موجود در آن به صورت نبود يک يون مثبت سديم (⁺Na) در جاي خود ديده مي شود ،يعني يکي از يون هاي سديم در محلي که مي بايد باشد، نيست. اين نوع نقص شبکه بلوري که در اثر نبود يون مثبت در جاي خود به وجود آمده است «جاي خالي کاتيوني» ناميده مي شود.

شکل 4- طرحي ساده از نقص جاي خالي آنيوني

شکل 4 نمايانگر عدم وجود يک يون منفي يا آنيون در جاي خود است. اگر شکل 4 را هم شبکه بلوري نمک طعام(NaCl) در نظر بگيريم نقص نشان داده شده در آن به معناي نبود يک يون منفي کلر(^-Cl) در جاي خود است. اين نقص شبکه بلوري که حاصلِ نبود يک يون منفي در مکان خود است به «جاي خالي آنيوني» شهرت دارد.

اکنون با توجه به آشنايي مختصري که با ساده ترين نقص شبکه بلوري يعني نقص جاي خالي پيدا کرده ايد ممکن است از خود بپرسيد که منشاء پيدايش اين کاستي ها چيست؟

دو شاخه از علم به بررسي امکان و عوامل ايجاد کنند‌‌‌‌ه اين نقص ها مي پردازد که به اختصار آنها را معرفي مي کنيم:

شاخه اول «علم ترموديناميک» است که با تحليل مقتضيات ترموديناميکي شبکه هاي بلوري به امکان يا عدم امکان ايجاد چنين نقص هايي در آن ها مي پردازد.
علم ترموديناميک با بررسي فيزيک اتم ها و يون ها در شبکه هاي بلوري، به ما مي گويد که شبکه هاي بلوري به صورت ذاتي مايل به داشتن اين کاستي ها در ساختار خود هستند يا نه؛ زيرا با ايجاد نواقص، انرژي شبکه بلوري کاهش و پايداري آن افزايش مي يابد. اين تفسير به ما مي گويد که نقص ها به طور طبيعي در مواد وجود خواهند داشت.

شاخه دوم، «علم کينتيک» است.
علم کينتيک شرايط مورد نياز براي به وجود آمدن چنين نقص هايي را بررسي مي کند. درست است که علم ترموديناميک امکان اتفاق افتادن اين نواقص را مشخص مي سازد، اما مسلما براي ايجاد آنها شرايط ويژه اي لازم است که بايد تامين گردد. علم کينتيک به ما مي گويد که با ايجاد چه تغييراتي در شرايط مي توانيم امکان ايجاد اين کاستي ها را تقويت کرده و يا آن را تضعيف کنيم. علم کينتيک با بررسي فرآيندِ تشکيلِ نواقص، به شناسايي عوامل تاثيرگذار و ميزان اثرگذاري آنها مي پردازد.

اين علم دو عامل را به عنوان عوامل اصلي موثر در ايجاد کاستي ها معرفي مي کند که عبارتند از: «دما» و «زمان».
با افزايش دما امکان ايجاد نواقص در شبکه بلوري افزايش مي يابد ،بنابراين در دماهاي پايين تر شاهد نقص هاي کمتري در شبکه بلوري مواد خواهيم بود.

براي توصيف اثر زمان لازم است کمي بيشتر با فرآيند تشکيل بلور آشنا شويم. در فرآيندهاي سنتي ساخت مواد ـ که به فرآيندهاي «ساختن بالا به پايين» شهرت دارد ـ عموما تشکيل بلور بر پايه فرآيند انجماد صورت مي گيرد، به صورتي که ماده در حالت مايع، ـ که فاقد نظم بلوري است ـ سرد مي شود. با ادامه سرد شدن و نزديک شدن به دماي انجماد، اتم ها و يون ها در کنار يکديگر قرار گرفته و يک شبکه بلوري منظم را شکل مي دهند. در دماهاي بالاتر از نقطه انجماد اتم ها و يون ها امکان حرکت و جابجايي دارند، هر چقدر به نقط‌‌‌‌ه انجماد نزديک تر شويم از اين تحرک کاسته مي شود. زماني که دما از نقط‌‌‌‌ه انجماد مي گذرد و کمتر از آن مي شود، اتم ها و يون ها تحرک لازم براي جابجايي را از دست داده و بنابراين در محل خود ثابت مي شوند.

با توصيف بالا از فرآيند انجماد و تشکيل شبکه منظم بلوري ديديم که تنها زمان ممکن براي تشکيل بلور زماني است که دما از حدود بالايي نقطه انجماد به زير نقطه انجماد مي رسد. در اين زمان اتم ها و يون ها مي بايست از محل خود جابجا شده و به شکلي منظم در کنار يکديگر قرار بگيرند. بديهي است که اين جابجايي به يک حداقل زماني نياز دارد وگرنه اتم ها و يون ها فرصت قرار گرفتن در جاي مناسب خود را نمي يابند و تمامي محل هاي لازم براي کامل شدن شبکه بلوري را پر کنند. بنابراين کوتاه شدن زمان انجماد مي تواند به نقص شبکه بلوري و طولاني شدن آن مي تواند به شکل گيري کامل تر شبکه بلوري کمک نمايد.
اما به راستي چه چيزي اين زمان را کنترل مي کند؟

همانطور که پيش تر گفتيم اين زمان چيزي بجز فاصله تغيير دما از دماي بالاي نقط‌‌‌‌ه انجماد به دمايي پايين تر از اين نقطه نيست. بنابراين عاملي که اين زمان را کوتاه و يا طولاني مي کند «سرعت تغيير دما» است يعني اينکه اگر ما ماده را از حالت مايع به آهستگي سرد کنيم زمان بيشتري طول خواهد کشيد تا به دماي پايينتر از نقطه انجماد برسيم، بنابراين اتم ها و يون ها اين فرصت را خواهند يافت که در محل مناسب خود قرار بگيرند و تمامي موقعيت هاي لازم را پر کنند. بر عکس اگر مايع را به سرعت سرد کنيم دما سريعا به دماي زير نقط‌‌‌‌ه انجماد خواهد رسيد و در نتيجه اتم ها و يون ها تحرک خود را فورا از دست خواهند داد و فرصت کافي براي جا به جا شدن و نشستن در محل هاي مناسب را نخواهند داشت ؛ بديهي است که اين کار موجب ايجاد نقص بيشتر در شبکه بلوري خواهد شد.

آيا انجماد سريع تنها دليل ايجاد و تقويت نقص بلوري است و يا اينکه عوامل ديگري نيز مي توانند منجر به ايجاد آن شوند؟

پيش از پاسخ به اين پرسش بايد به اين نکته دقت کرد که نواقص بلوري از نظر زمان ايجاد به دو دسته کلي تقسيم مي شوند:
دسته اول اشکالاتي است که در زمان ايجاد بلور يعني در زمان انجماد شکل مي گيرد و دسته دوم پس از تشکيل بلور يعني پس از زمان انجماد در شبکه بلوري به وجود مي آيد. اين نواقص مي تواند ساعت ها و يا سال ها بعد از انجماد و تشکيل بلور در شبکه بلوري ايجاد شود.
دسته نخست که نواقص زمان انجماد مي باشند عمدتا از طريق انجماد سريع و يکنواخت نبودن مايع در حال انجماد حاصل مي شوند البته عوامل ديگري نيز در ايجاد کاستي هاي ناشي از زمان انجماد موثر هستند اما عامل اصلي همان کاهش سريع دما است.

در بررسي دسته دوم يعني نواقص پس از انجماد لازم است کمي به فرآيند ايجاد نقص در شبکه بلوري فکر کنيم.
فرض کنيد که مي خواهيم يک نقص جاي خالي در شبکه بلوري ايجاد کنيم، براي اين کار لازم است که يک اتم يا يون را از محل خود خارج نماييم؛ از طرفي مي دانيم که دليل حرکت آزادانه اتم ها و يون ها در حالت مايع، وجود انرژي جنبشي زياد (به دليل دماي بالاتر) در آنها مي باشد، همچنين مي دانيم که اتم ها و يون ها حتي در حالت جامد نيز داراي حرکت هستند. (البته اين حرکات عموما به صورت ارتعاش در محل خود و گاهي به شکل جابجايي هاي محدود است که با آزادي حرکت اتم ها و يون ها در حالت مايع قابل مقايسه نيست.) اما اين حرکت براي کنده شدن يک اتم يا يون کافي نيست؛ پس مي توان گفت براي اين کار کافي است که انرژي لازم براي حرکت ذره مورد نظر را فراهم کنيم. با فراهم شدن انرژي لازم، اتم ها و يون هاي گيرند‌‌‌‌ه انرژي امکان خارج شدن از محل خود را خواهند داشت.
با توجه به توضيحات فوق در مي يابيم که نواقص پس از انجماد از طريق قرار گرفتن شبکه بلوري در معرض انرژي کافي به وجود مي آيد. اين انرژي مي تواند از طريق گرم شدن، کار مکانيکي (مانند کشيدن، فشردن، خم کردن و ... )، قرار گرفتن در معرض امواج الکترومغناطيس (نور، اشعه ماوراء بنفش، پرتوهاي ايکس، اشعه گاما و ... ) و پرتوهاي پر انرژي (الکتروني، نوتروني و ...) تامين گردد.

منبع : http://www.nanoclub.ir

[*مینا*]

در مقاله نواقص بلوري چيست؟ با مفهوم نواقص بلوري، برخي از انواع آن و علت پيش آمدن آنها قدري آشنا شديم. پيش از آن که وارد به مسائل ديگري از نواقص شبکه بلوري بپردازيم، لازم است که با نوع ديگري از آن ها آشنا شويم. يکي از کاستي هايي که در شبکه هاي بلوري فراوان ديده مي شود، نقص «بين نشيني» است. اين نقص حاصل قرار گرفتن يک اتم يا يون در محلي خارج از محل خود، در ميان ديگر اتم ها و يون ها مي باشد.

شکل 5- طرحي ساده از يک شبکۀ بلوري کامل

با فرض اينکه شکل 5 نمايانگر يک شبکه بلوري بدون نقص است انواع نواقص بين نشيني را نشان خواهيم داد:

شکل 6- طرحي ساده از بين نشيني اتم هاي خودي

نقص بين نشيني به دو شکل خود را نشان مي دهد:
يکي از صور اين عيب، بين نشيني خود اتم ها و يون هاي متعلق به شبکه در فضاي موجود بين اتم ها و يون هاي ديگر آن مي باشد که در شکل 6 نشان داده شده است؛ بديهي است که شرط ايجاد اين عيب سازگاري اندازۀ يون بين نشين، با فضاهاي خالي موجود ميان يون هاي شبکه بلوري است؛ زيرا يون بين نشين بايد بتواند خود را در فضاهاي موجود بين ديگر يون ها جا کند.

شکل 7- طرحي ساده از بين نشيني يون هاي غريبه

نوع ديگر نقص بين نشيني، قرارگرفتن يک يون خارجي در فضاي ميان يون هاست (مطابق شکل 7). بديهي است که سازگاري اندازۀ يون بين نشين با فضاي خالي موجود در ميان يون هاي شبکه بلوري، در اين نوع از بين نشيني هم ضروري است. البته همانطور که در تصاوير6 و7 نيز ديده مي شود، شبکه بلوري امکان تغيير شکل جزئي براي پذيرفتن يون بين نشين را دارد که ميزان آن به اندازۀ يون بين نشين بستگي دارد، اين تغيير شکل جزئي ساختار شبکه بلوري که «اعوجاج شبکه» خوانده مي شود مي تواند به صورت کشيدگي ـ در برابر يون هاي بزرگتر از فضاي خالي موجودـ (شکل 6) و يا جمع شدگي ـ در برابر يون هاي کوچکتر از فضاي موجودـ (در شکل 7) خود را نشان دهد.

حضور يون هاي خارجي در شبکه هميشه به صورت بين نشيني نيست؛ گاهي هم اين يون ها به جاي يون هاي خود شبکه مي نشينند. اين عمل «نقص جانشيني» را در شبکه بلوري ايجاد مي کند.

شکل 8ـ طرحي ساده از يک شبکه بلوري کامل

اگر شکل 8 را يک شبکۀ بلوري کامل در نظر بگيريم، مي توانيم در شکل 9 نقص جانشيني که به صورت قرار گرفتن يک يون خارجي(يون قرمز صورتي رنگ) به جاي يکي از يون هاي اصلي(يون هاي آبي رنگ) در شبکه نشان داده شده است را، تشخيص دهيم:

شکل 9- طرحي ساده از بين نشيني يون هاي غريبه

يون جانشين شده مي تواند کاتيون يا آنيون باشد که در حالت اول نقص حاصل «جانشيني کاتيوني» و در حالت دوم «جانشيني آنيوني» خواهد بود.
تفاوت نقص هاي بين نشيني و جانشيني را مي توان در مقايسه تصاوير 7 و 9 مشاهده کرد.
همانطور که در شکل 7 ديده مي شود، در حالت بين نشيني، يون خارجي در جاي يون اصلي شبکه قرار نگرفته است بلکه در فضاهاي خالي موجود در شبکه جاي دارد ، در حالي که در نقص جانشيني همانطور که در شکل 9 نيز ديده مي شود، يون خارجي درست در محل يکي از يون هاي اصلي شبکه قرار گرفته و به جاي آن نشسته است.
نواقص جانشيني نيز مانند نواقص بين نشيني، موجب اعوجاج در شبکه بلوري خواهند شد، بديهي است که در اينجا هم ميزان اعوجاج متناسب با اختلاف اندازۀ يون خارجي واردشده در شبکه و يون اصلي شبکه مي باشد. بنابراين اين نوع نقص نيز مي تواند سبب کشيدگي و يا جمع شدگي شبکه بلوري در اطراف محل دچار نقص شود.
حال که با انواع بيشتري از کاستي هاي شبکه بلوري آشنا شديم لازم است که به يک پرسش جدي بيانديشيم:
آيا نقص هاي شبکه بلوري که آن را عيوب شبکه بلوري نيز مي ناميم واقعاً بد هستند؟ آيا اين نواقص بر خواص ماده اثر منفي مي گذارند؟ يا اينکه حتي ممکن است موجب بهبود برخي از خواص مواد نيز بشوند؟!

منبع : http://www.nanoclub.ir