5.- Defectos E Imperfecciones 3r1g4e

DEFECTOS E IMPERFECCIONES en los Arreglos atómicos

1. Defectos puntuales 2. Defectos lineales (Dislocaciones) 3. Defectos superficiales

En muchas aplicaciones es útil la presencia de defectos; sin embargo hay unas pocas en las que se trata de minimizar algunos defectos

Por ejemplo las dislocaciones son útiles para aumentar la resistencia de los metales y aleaciones, Sin embargo en el silicio monocristalino (usado en chips) no son deseeble las dislocaciones

Los defectos se pueden crear intencionalmente para obtener determinadas propiedades electrónicas, ópticas, mecánicas

Ejemplo: El hierro puro es relativamente suave, pero con pequeñas cantidades de carbón se crean defectos en el arreglo cristalino y se convierte en acero al carbono

La alumina pura es transparente, pero cuando se agrega una pequeña cantidad de cromo se produce en cristal de rubi rojo.

En el cristal de silicio para microelectrónica se agrega pequeñas concentraciones de átomos de P o B que provocan defectos en los arreglos que aportan propiedades eléctricas especiales a distintas regiones del cristal (transistores)

Cuando se desea usar cobre como conductor en microelectrónica, se usa con máxima pureza, (esto se debe a que una pequeñísima cantidad de impurezas causan un aumento de varios órdenes de magnitud en la resistividad del cobre)

Defectos Puntuales Son interrupciones en los arreglos de los atómicos o iónicos (de no ser así la estructura sería perfecta)

• La fig. 1 ilustra los típicos defectos puntuales

• Un defecto puntual afecta toda la región donde interviene varios átomos o iones.

Se pueden crear debido al movimiento de los átomos o iones cuando aumenta la energía al calentarlos, al introducir por:

• impurezas presentes en la materia o • por dopado (elementos o compuestos agregados en forma deliberada) en concentraciones controladas y lugares específicos

vacancia Se produce cuando falta un átomo o un ion en su sitio normal de la estructura cristalina, es decir cuando hay una vacancia (ver fig. 1 a).

Al haber una vacancia aumenta el desorden normal o entropía del material, lo que aumenta la estabilidad termodinámica de un material cristalino

Las vacancias aparecen en los metales y aleaciones durante la solidificación o por radiación.

Las vacancias determinan la velocidad con que se pueden mover los átomos o iones; es decir difundirse en un material sólido (especialmente en metales puros)

Defectos intersticiales

Se forman cuando se inserta un átomo o ion adicional en la estructura cristalina en una posición normalmente desocupada,

La fig. 2 ilustra los átomos o iones intersticiales mucho menores que los átomos o iones de los puntos de red

Defectos sustitucionales

• Se introduce un defecto sustitucional cuando un

átomo o ion es sustituido con un tipo distinto de átomo o ion, tal como se muestra en la fig. 1.c

• Los átomos o iones sustitucionales ocupan el sitio normal de la red.

• Pueden ser mayores o menores que los átomos o iones normales de estructura cristalina principal.

• Los defectos sustitucionales se pueden

introducir en forma de impureza o deliberada

• Como ejemplo de sustitución esta la incorporación de dopantes

Defecto de Frenkel También conocido como PAR DE FRENKEL es un par vacancia-intersticial que se forma cuando un ion salta de un punto normal de red a un sitio intersticial (ver fig. 1.e)y deja atrás una vacancia.

Defecto de Schottky En este defecto las vacancias se presentan en un material con enlace iónico donde debe faltar un número estequiométrico de aniones y cationes en el cristal que se quiere conservar en él a neutralidad eléctrica (fig. 1.f)

Fig. 1.f Suele encontrarse en materiales cerámicos

Defectos puntuales sustitucionales Se presenta cuando un ion de una carga remplaza a otro de carga distinta.

Por ejemplo: Cuando un ion de valencia +2 reemplaza a otro de valencia +1

Fig. 2 muestra como un catión divalente reemplaza un monovalente

En este caso se induce una carga positiva adicional en la estructura para permanecer en equilibrio.

Dislocaciones Son imperfecciones lineales en un cristal que de otra manera sería perfecto. Se introducen en los cristales durante el momento de la solidificación del material o cuando el material de deforma permanentemente.

Aunque todos los materiales hay dislocaciones son especialmente útiles para explicar la deformación y el endurecimiento de los materiales metálicos

Dislocaciones

De tornillo

De borde

Mixtas

Dislocaciones de tornillo Se pueden ilustrar haciendo un corte parcial en un cristal perfecto, y a continuación torciendo ese cristal una distancia atómica

Fig. 4 Dislocaciones de tornillo

Dslocación de borde o arista Se pueden ilustrar haciendo un corte parcial en un cristal perfecto, y llenando en parte el corte con un plano adicional de átomos

(ver fig. 4.5 del libro Donald. Por anexar)

Dislocaciones mixtas Tienen componentes de borde y de tornillo, con una región de transición entre ellas. Sin embargo su vector de Burgers queda igual para todas las porciones de la dislocación.

Fig. 5 ilustra la dislocación mixta

Fig. 6 Indica desplazamientos de planos en dislocaciones

Deslizamiento El proceso por el que se mueve una dislocación y hace que se deforme un material metálico se llama deslizamiento. La dirección en la que se mueve la dislocación es la dirección de deslizamiento. Y es la del vector de Burgers para las dislocaciones de borde .

En una de tornillo la dirección de la dislocación perpendicular al vector Burgers aunque el cristal se deforma en dirección paralela al vector

Importancia de los defectos Los defectos desempeñan una función muy importante en definición de las propiedades mecánicas, eléctricas, ópticas y magnéticas de los materiales.

Efectos de las imperfecciones sobre las propiedades en un material • Todas las imperfecciones contenidas en un cristal aumentan la energía interna en el lugar de la imperfección. Porque en la zona de la imperfección, los átomos, o están muy cercaos (sujetos a compresión) o muy apartados (sujetos a tensión).

De las dislocaciónes Si las dislocacion se encuentra en una región donde los átomos están desplazados respecto a su posición normal, se requiere un esfuerzo mayor el paso de la dislocación por la región de alta energía. En consecuencia el material es más resistente. En los materiales las dislocaciones, los defectos puntuales y los límites de grano sirven como una barrera a las dislocaciones

¿Es posible controlar la resistencia de un materia? Si, controlando la cantidad y el tipo de imperfecciones. Existen tres mecanismos para el endurecimiento basados en tres en categorías de defectos en los cristales.

• El movimiento de dislocaciones es

relativamente fácil en los metales y aleaciones, por lo que se recomienda para estos materiales.

• Al tener en cuenta la resistencia a la tensión y

a las bajas temperaturas, está determinada por la cantidad de porosidad.

• En los polímeros amorfos las dislocaciones tienen poco efecto en su comportamiento mecánico.

• La resistencia de los vidrios inorgánicos

(como el vidrio flotado de silicato) depende de la distribución de diminutas fallas sobre la superficie.

Endurecimiento por deformación La dislocación interrumpe la perfección de la estructura cristalina.

Endurecimiento por solución sólida Cuando la estructura cristalina de un material anfitrión asimila por competo los átomos o iones de otro elemento o compuesto.

Endurecimiento por tamaño de grano Al aumentar la cantidad de granos o reducir el tamaño del grano, se produce un endurecimiento por tamaño de grano en los materiales metálicos.

Existe también otro procedimiento de endurecimiento por precipitación.

Investigación 1.- estudiar los puntos 1.4.1 y 1.4.2 del programa en el libro Askeland Donald R. 2.- Elaborar un resumen de los puntos Contestar el cuestionario anexo.en formato Word.