KRİSTAL KUSURLARI BÖLÜM 3. Bağlar + Kristal yapısı + Kusurlar. Özellikler. Kusurlar malzeme özelliğini önemli ölçüde etkiler.

Transkript

1 KRİSTAL KUSURLARI Bağlar + Kristal yapısı + Kusurlar Özellikler Kusurlar malzeme özelliğini önemli ölçüde etkiler. 2 1

2 Yarıiletken alttaş üretiminde kullanılan silikon kristalleri neden belli ölçüde fosfor veya bor ile katkılanır? Çeliği saf demirden daha sert ve kuvvetli yapan nedir? Seramik yarıiletkenlerin akım taşıma kapasitesini kısıtlayan nedir? Metaller nasıl daha sert hale getirilebilir? Elektriksel uygulamalarda neden yüksek saflıktaki bakır tercih edilir? 3 Yakutu kırmızı ya da safiri mavi yapan nedir??? Elmas kristali içindeki kusurlar kristalin rengini (& fiyatını) etkiler. Kristaller insanlara benzer, onları ilginç yapan kusurlarıdır. Colin Humphreys 4 2

3 Kristal kusurları atomik çap mertebesinde farklı boyutlarda ortaya çıkan örgü düzensizlikleridir. Kristal kusurlarının sınıflandırılması genellikle kusurun geometrisine ya da kaç boyutta gözlendiğine bağlı olarak yapılır. Nokta Kusurlar (Hatalar) / Safsızlıklar Çizgi Kusurlar Yüzey ya da Sınır Kusurları Nokta Kusurlar: Nokta kusurları örgü içerisinde birkaç atom boyutunda ortaya çıkan hatalardır. Örgü içerisinde bir atomun bulunması gereken yerde bulunması, başka bir yere taşınması ya da başka bir atom ile yer değiştirmesi biçiminde oluşabilir. 6 3

4 Nokta Kusurlar: Boşluklar Mutlak 0 sıcaklığının üzerinde bütün kristaller atomik boşluk lara yani kristal yapısı içindeki örgüde yerlerinde bulunmayan atomlara sahiptir. Termal dengenin gereği olarak kendiliğinden ortaya çıkan boşluklar termodinamik hatalar olarak da adlandırılır. Nokta Kusurlar: Boşluklar 4

5 Boşluk konsantrasyonu: termal denge durumunda boşluk sayısı Boşluk oluşumu için gerekli enerji - E k T n = N e ν ν N ρ A Birim hacimdeki toplam atom sayısı N Aρ N = A Avagadro sayısı yoğunluk Boltzmann Sabiti 5 k = ev / K 23 k J / K = Kristal içerisinde boşluklar her sıcaklık değerinde mevcuttur. Boşluk konsantrasyonu sıcaklığın artmasıyla hızla artar. Örneğin bakır için; Oda sıcaklığı civarında boşluk sayısı atomda 1 iken yüksek sıcaklıklarda, erime noktası civarında, atomda birdir. Boşluk konsantrasyonu için verilen eşitliğin gerçek malzemelerde varolan boşluk sayısının en küçük değeri olduğu unutulmamalıdır. Kristal büyütme işlemi ile üretilen yapılarda ya da plastik deformasyon sonucunda daha büyük sayılarda boşluklar oluşur 10 5

6 Nokta Kusurlar: Safsızlıklar Safsızlık Kristal yapıda doğal olarak bulunan ya da yapay olarak eklenebilen farklı bir elemente ait atomlardır. Eğer safsızlık doğrudan ev sahibi atomun yerine geçmişse yerine geçme safsızlığı adını alır Safsızlık atomları ev sahibi atomlar arasındaki boşluklara da yerleşebilir. Bu durumda safsızlık arayer safsızlığı adını alır 6

7 NaCl gibi iyonik kristallerde bir anyon-katyon çiftini bulunması gereken yerde olmaması ile oluşan kusur Schottky Kusuru adını alır NaCl gibi iyonik kristallerde oluşan bir başka kusur Frenkel Kusuru dur. Bu durumda ev sahibi iyonlardan biri arkasında bir boşluk bırakarak örgü arasında bir yere taşınır. Arayer iyonu ve boşluk çifti birlikte Frenkel kusurunu oluşturur. İyonik kristallerde de yerine geçme ya da arayer safsızlıkları bulunabilir. Ancak iyonik kristal nört halini korumalıdır! 7

8 Kristal yapıdaki nokta kusur konsantrasyonu denge durumunda boşluk sayısını veren ifadeye benzer bir yolla bulunabilir. - E k T n = N e h a ta h a ta Kusur oluşumu için gerekli enerji 15 Çizgi Kusurlar: Kenar Dislokasyon Bir kenar dislokasyon kristal içinde bir atom düzleminin bütün kristal boyunca baştan başa devam etmek yerine kristal içinde bir yerde sonlanmasıdır. 8

9 17 Çizgi Kusurlar: Vida Dislokasyon Vida dislokasyon kristalin üst tabakasının alt tabakaya göre kayması ile oluşur. 9

10 19 10

11 Karma Dislokasyon Düzlem Kusurlar: Grain Sınırları Grain sınırları poli-kristal malzemelerde farklı kristalografik yönelime sahip 2 küçük kristal ya da grain i birbirinden ayıran sınırlardır. 11

12 23 Düzlem Kusurlar: Grain Sınırları grain boundaries Adapted from Fig. 4.7, Callister 6e. 12

13 Küçük açılı grain sınırları Düzlem Kusurlar: İkiz Sınırlar From Fig. 4.7, Callister 6e. 13

14 27 Düzlem Kusurlar: Dış yüzeyler Kristal yapısının sonlandığı yerler olan dış yüzeyler en sık görülen sınırlardır. Yüzey atomları maksimum sayıda komşu atoma bağlı olmadıklarından iç kısımdaki atomlara göre daha yüksek enerji durumundadırlar. Yığın kusurları, ferromanyetik domain duvarları gibi başka arayüz kusurları da mevcuttur