间隙缺陷

在材料科学中，间隙缺陷是一种点晶体缺陷，其中相同或不同类型的原子占据晶体结构中的间隙位置。 当原子与已经存在的原子属于同一类型时，它们被称为自填隙缺陷。 或者，某些晶体中的小原子可能占据间隙位置，例如钯中的氢。 可以通过用能量高于晶体位移阈值的基本粒子轰击晶体来产生间隙，但它们也可能以低浓度存在于热力学平衡中。 间隙缺陷的存在可以改变材料的物理和化学性质。

间隙化合物的想法始于 20 世纪 30 年代后期，它们通常在 Hägg 之后被称为 Hagg 相。 过渡金属通常以六方密堆积或面心立方结构结晶，这两种结构都可以被认为是由六方密堆积原子层组成的。 在这两个非常相似的格子中，都有两种间隙或孔：

• 每个金属原子有两个四面体空穴，即空穴在四个金属原子之间
• 每个金属原子一个八面体空穴，即空穴在六个金属原子之间

早期工作者建议：

• 金属晶格相对不受间隙原子的影响
• 导电性与纯金属相当
• 组成范围很广
• 占据的间隙类型由原子的大小决定

这些不被视为化合物，而是金属晶格中的溶液，例如碳，较小原子的上限“浓度”由可用空隙的数量决定。

对金属结构以及金属和非金属的二元和三元相的更详细了解表明：

• 通常在低浓度的小原子下，该相可以描述为溶液，这与上述间隙化合物的历史描述相近。
• 小原子浓度较高时，可能会出现具有不同晶格结构的相，并且这些相可能具有一定的化学计量范围。

一个例子是碳在铁中的溶解度。 纯铁的形式在 910 °C 和 1390 °C 之间稳定，γ-铁与碳形成固溶体，称为奥氏体，也称为钢。

自填隙缺陷是仅包含与晶格中已经存在的原子相同的原子的填隙缺陷。

间隙缺陷的结构已经在一些金属和半导体中通过实验确定。

与人们的直觉预期相反，具有已知结构的金属中的大多数自填隙原子都具有“分裂”结构，其中两个原子共享相同的晶格位置。 通常，两个原子的质心位于晶格位置，并且它们沿主晶格方向之一从晶格位置对称移动。 例如，在铜、镍和铂等几种常见的面心立方（fcc）金属中，自填隙的基态结构是分裂[100]填隙结构，其中两个原子在正负方向上发生位移 [100] 方向来自晶格位置。 在体心立方 (bcc) 铁中，基态间隙结构类似地是 [110] 分裂间隙。

这些分裂的间隙通常被称为哑铃间隙，因为用两个大球体和连接它们的粗线绘制形成间隙的两个原子使结构类似于哑铃举重装置。

在铁以外的其他 bcc 金属中，基于最近的密度泛函理论计算，认为基态结构是 [111] 拥挤间隙，可以理解为沿着 [ 111] 晶格方向，与完美晶格相比被压缩，使得链包含一个额外的原子。

在半导体中，情况更为复杂，因为缺陷可能带电并且不同的电荷状态可能具有不同的结构。 例如，在硅中，间隙可能具有分裂 [110] 结构或四面体真正的间隙结构。

碳，特别是在石墨和金刚石中，有许多有趣的自填隙原子——最近使用局部密度近似计算发现石墨中的螺填隙原子，以螺戊烷命名，因为填隙碳原子位于两个基面和 以类似于螺戊烷的几何形状键合。

小的杂质间隙原子通常位于晶格原子之间的真正间隙位置上。