عيب بلوري

العيب البلوري هو انقطاع في الأنماط المنتظمة لترتيب الذرات أو الجزيئات في المواد الصلبة البلورية . تُظهر مواقع واتجاهات الجسيمات، التي تتكرر على مسافات ثابتة تحددها معلمات وحدة الخلية في البلورات، بنية بلورية دورية ، ولكنها عادةً ما تكون غير كاملة. ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]} غالبًا ما يتم توصيف عدة أنواع من العيوب: العيوب النقطية، والعيوب الخطية، والعيوب المستوية، والعيوب الحجمية. يوفر التماثل الطوبولوجي طريقة رياضية للتوصيف.

العيوب النقطية هي عيوب تحدث فقط عند نقطة شبكية واحدة أو حولها، ولا تمتد في أي بُعد. لا تُحدد عادةً حدود دقيقة لصغر حجم العيب النقطي. ومع ذلك، فإن هذه العيوب عادةً ما تتضمن بضع ذرات زائدة أو مفقودة على الأكثر. أما العيوب الأكبر في البنية المنتظمة فتُعتبر عادةً حلقات انخلاع . ولأسباب تاريخية، تُسمى العديد من العيوب النقطية، وخاصة في البلورات الأيونية، مراكز : على سبيل المثال، يُطلق على الفراغ في العديد من المواد الصلبة الأيونية اسم مركز التلألؤ، أو مركز اللون، أو مركز F. تسمح هذه الانخلاعات بانتقال الأيونات عبر البلورات، مما يؤدي إلى تفاعلات كهروكيميائية. ويتم تحديد هذه الانخلاعات غالبًا باستخدام ترميز كروجر-فينك .

• عيوب الفراغات هي مواقع في الشبكة البلورية، كانت ستشغلها ذرة في بلورة مثالية، لكنها كانت شاغرة. إذا تحركت ذرة مجاورة لتشغل هذا الموقع الشاغر، فإن الفراغ يتحرك في الاتجاه المعاكس للموقع الذي كانت تشغله الذرة المتحركة. يضمن استقرار البنية البلورية المحيطة عدم انهيار الذرات المجاورة حول الفراغ. في بعض المواد، تتحرك الذرات المجاورة مبتعدةً عن الفراغ، نتيجةً لتأثير ذرات محيطة بها. يُطلق على الفراغ (أو زوج من الفراغات في مادة صلبة أيونية) أحيانًا اسم عيب شوتكي .
• العيوب البينية هي ذرات تشغل مواقع في البنية البلورية لا توجد فيها عادةً ذرات أخرى . وهي عمومًا تكوينات ذات طاقة عالية. يمكن لذرات صغيرة (معظمها شوائب) في بعض البلورات أن تشغل مواقع بينية دون طاقة عالية، مثل الهيدروجين في البلاديوم .

• يُطلق على زوج متجاور من فراغ ذري وموقع بيني اسم عيب فرنكل أو زوج فرنكل. ويحدث هذا عندما ينتقل أيون إلى موقع بيني ويُحدث فراغًا ذريًا.

• نظراً للقيود الأساسية لأساليب تنقية المواد، لا تكون المواد نقية بنسبة 100%، مما يُؤدي بطبيعته إلى ظهور عيوب في البنية البلورية. في حالة الشوائب، غالباً ما تُدمج الذرة في موقع ذري منتظم في البنية البلورية. هذا الموقع ليس شاغراً ولا موقعاً بينياً، ويُسمى عيباً استبدالياً . من المفترض ألا تتواجد الذرة في أي مكان في البلورة، وبالتالي تُعتبر شوائب. في بعض الحالات، عندما يكون نصف قطر الذرة (الأيون) الاستبدالي أصغر بكثير من نصف قطر الذرة (الأيون) التي يحل محلها، قد ينزاح موضع اتزانها بعيداً عن موقع الشبكة البلورية. يُشار إلى هذا النوع من العيوب الاستبدالية عادةً بالأيونات غير المركزية . هناك نوعان مختلفان من العيوب الاستبدالية: الاستبدال متساوي التكافؤ والاستبدال غير متساوي التكافؤ. في الاستبدال متساوي التكافؤ، يكون الأيون الذي يحل محل الأيون الأصلي من نفس حالة الأكسدة. يحدث الاستبدال ذو التكافؤ المتغير عندما يكون الأيون الذي يحل محل الأيون الأصلي ذا حالة أكسدة مختلفة عن الأيون الذي يحل محله. يُغير هذا الاستبدال الشحنة الكلية داخل المركب الأيوني، ولكن يجب أن يكون المركب الأيوني متعادلًا. لذلك، يلزم وجود آلية لتعويض الشحنة. ومن ثم، إما أن يتأكسد أحد الفلزات جزئيًا أو كليًا، أو يُختزل، أو تتكون فراغات أيونية.
• تحدث عيوب الموقع المضاد ^{[ 6 ] [ 7 ]} في السبائك أو المركبات المنتظمة عندما تتبادل ذرات من أنواع مختلفة مواقعها. على سبيل المثال، تتميز بعض السبائك ببنية منتظمة حيث تكون كل ذرة ثانية من نوع مختلف؛ وللتوضيح، لنفترض أن ذرات النوع A تقع على زوايا شبكة مكعبة، وذرات النوع B تقع في مركز المكعبات. إذا كان أحد المكعبات يحتوي على ذرة من النوع A في مركزه، فإن هذه الذرة تشغل موقعًا تشغله عادةً ذرة من النوع B، وبالتالي تُعد عيب موقع مضاد. هذا ليس فراغًا ولا ذرة بينية ولا شوائب.
• العيوب الطوبولوجية هي مناطق في البلورة حيث يختلف نمط الترابط الكيميائي الطبيعي طوبولوجيًا عن المناطق المحيطة. على سبيل المثال، في طبقة مثالية من الجرافيت ( الجرافين )، تتواجد جميع الذرات في حلقات تحتوي على ست ذرات. إذا احتوت الطبقة على مناطق يختلف فيها عدد الذرات في الحلقة عن ست، بينما يبقى العدد الإجمالي للذرات ثابتًا، فقد تشكل عيب طوبولوجي. ومن الأمثلة على ذلك عيب ستون-ويلز في الأنابيب النانوية، والذي يتكون من حلقتين متجاورتين خماسيتي الذرات وحلقتين سباعيتي الذرات.

• قد تحتوي المواد الصلبة غير المتبلورة على عيوب. يصعب تعريف هذه العيوب بدقة، ولكن في بعض الأحيان يمكن فهم طبيعتها بسهولة. على سبيل المثال، في السيليكا غير المتبلورة ذات الروابط المثالية ، ترتبط جميع ذرات السيليكون بأربع روابط مع ذرات الأكسجين، وترتبط جميع ذرات الأكسجين برابطتين مع ذرات السيليكون. وبالتالي، يمكن اعتبار ذرة أكسجين مرتبطة برابطة واحدة فقط مع السيليكون ( رابطة غير مشبعة ) عيبًا في السيليكا. ^{[ 8 ]} علاوة على ذلك، يمكن تعريف العيوب في المواد الصلبة غير المتبلورة بناءً على الجوار الذري المحلي الفارغ أو المكتظ، ويمكن إثبات أن خصائص هذه "العيوب" مشابهة للفراغات الطبيعية والذرات البينية في البلورات. ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]}
• يمكن أن تتشكل معقدات بين أنواع مختلفة من العيوب النقطية. على سبيل المثال، إذا صادف فراغ ذري شوائب، فقد يرتبط الاثنان معًا إذا كانت الشوائب كبيرة جدًا بالنسبة للشبكة البلورية. يمكن أن تشكل الذرات البينية هياكل "بينية منقسمة" أو "ثنائية الذرات" حيث تتشارك ذرتان فعليًا موقعًا ذريًا واحدًا، مما يؤدي إلى عدم شغل أي من الذرتين لهذا الموقع فعليًا. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

يمكن وصف عيوب الخطوط بنظريات القياس.

الانخلاعات هي عيوب خطية، تتوزع حولها ذرات الشبكة البلورية بشكل غير منتظم. ^{[ 14 ]} يوجد نوعان أساسيان من الانخلاعات، الانخلاع الحافي والانخلاع اللولبي . كما أن الانخلاعات "المختلطة"، التي تجمع بين خصائص كلا النوعين، شائعة أيضاً.

تنتج الانخلاعات الحافية عن انتهاء مستوى من الذرات في منتصف البلورة. في هذه الحالة، لا تكون المستويات المجاورة مستقيمة، بل تنحني حول حافة المستوى المنتهي، مما يجعل بنية البلورة منتظمة تمامًا على كلا الجانبين. ويمكن تشبيه ذلك بمجموعة من الأوراق: إذا وُضعت نصف ورقة في مجموعة من الأوراق، فإن العيب في المجموعة لا يظهر إلا عند حافة نصف الورقة.

يصعب تصور الانخلاع اللولبي، ولكنه يتألف أساسًا من بنية يتم فيها تتبع مسار حلزوني حول العيب الخطي (خط الانخلاع) بواسطة المستويات الذرية للذرات في الشبكة البلورية.

يؤدي وجود الانخلاعات إلى إجهاد (تشوه) في الشبكة البلورية. يُعبَّر عن اتجاه ومقدار هذا التشوه بدلالة متجه بورغرز (b). في حالة الانخلاعات الحافية، يكون b عموديًا على خط الانخلاع، بينما يكون موازيًا له في حالة الانخلاعات اللولبية. في المواد المعدنية، يتماشى b مع اتجاهات التراص البلوري المتقارب، ويعادل مقداره مسافة بين ذرتين.

يمكن أن تتحرك الانخلاعات إذا كسرت الذرات من أحد المستويات المحيطة روابطها وأعادت الارتباط بالذرات الموجودة عند الحافة النهائية.

إن وجود الانخلاعات وقدرتها على التحرك بسهولة (والتفاعل) تحت تأثير الإجهادات الناتجة عن الأحمال الخارجية هو ما يؤدي إلى قابلية تشكيل المواد المعدنية المميزة.

يمكن رصد الانخلاعات باستخدام المجهر الإلكتروني النافذ ، ومجهر الأيونات الميداني ، وتقنيات مسبار الذرات . وقد استُخدمت مطيافية المستويات العميقة العابرة لدراسة النشاط الكهربائي للانخلاعات في أشباه الموصلات، وخاصة السيليكون .

الانخلاعات هي عيوب خطية تُقابل "إضافة" أو "طرح" زاوية حول خط ما. وهذا يعني ببساطة أنه عند تتبع اتجاه البلورة حول العيب الخطي، نحصل على دوران. كان يُعتقد سابقًا أن دورها يقتصر على البلورات السائلة، لكن التطورات الحديثة تشير إلى أنها قد تلعب دورًا أيضًا في المواد الصلبة، مثل التسبب في التئام الشقوق ذاتيًا . ^{[ 15 ]}

• تتشكل حدود الحبيبات عندما يتغير اتجاه الشبكة البلورية فجأة. ويحدث هذا عادةً عندما تبدأ بلورتان بالنمو بشكل منفصل ثم تلتقيان.
• تحدث حدود الطور المعاكس في السبائك المرتبة: في هذه الحالة، يظل الاتجاه البلوري كما هو، ولكن كل جانب من جوانب الحدود له طور معاكس: على سبيل المثال، إذا كان الترتيب عادة ABABABAB ( بلورة سداسية متراصة )، فإن حدود الطور المعاكس تأخذ شكل ABABBABA.
• تحدث عيوب التراص في العديد من البنى البلورية، ولكن المثال الأكثر شيوعًا هو في البنى ذات التراص المتقارب . تتشكل هذه العيوب نتيجة انحراف موضعي في تسلسل تراص الطبقات في البلورة. ومن الأمثلة على ذلك تسلسل التراص ABABCABAB.
• حدود التوأمة هي عيب يُدخل مستوى تناظر مرآوي في ترتيب البلورة. على سبيل المثال، في البلورات المكعبة ذات التراص المتراص ، يكون تسلسل التراص لحدود التوأمة هو ABCABCBACBA.
• في مستويات البلورات الأحادية ، يمكن اعتبار الخطوات بين المدرجات المستوية ذريًا عيوبًا مستوية. وقد ثبت أن لهذه العيوب وهندستها تأثيرًا كبيرًا على امتزاز الجزيئات العضوية ^{[ 16 ] .}

• العيوب ثلاثية الأبعاد الكبيرة أو الكبيرة الحجم، مثل المسام أو الشقوق أو الشوائب.
• الفراغات - مناطق صغيرة لا توجد بها ذرات، ويمكن اعتبارها تجمعات من الشواغر.
• يمكن أن تتجمع الشوائب معًا لتشكل مناطق صغيرة من طور مختلف. وغالبًا ما تسمى هذه المناطق بالرواسب .

تُعد نظرية التماثل ، وهي فرع من فروع علم الطوبولوجيا ، طريقة تصنيف رياضية ناجحة لعيوب الشبكة الفيزيائية، والتي لا تعمل فقط مع نظرية الانخلاعات والعيوب الأخرى في البلورات، ولكن أيضًا، على سبيل المثال، بالنسبة للانخلاعات في البلورات السائلة وللإثارات في الهيليوم ^-3 فائق الميوعة . ^{[ 17 ]}

تُستخدم نظرية الكثافة الوظيفية ، وديناميكيات الجزيئات الكلاسيكية، ومحاكاة مونت كارلو الحركية ^{[ 18 ]} على نطاق واسع لدراسة خصائص العيوب في المواد الصلبة باستخدام المحاكاة الحاسوبية. ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]} ويمكن أن تكون محاكاة ازدحام الكرات الصلبة ذات الأحجام المختلفة و/أو في حاويات ذات أحجام غير قابلة للقياس باستخدام خوارزمية لوباتشيفسكي-ستيلينجر تقنية فعالة لإظهار بعض أنواع العيوب البلورية. ^{[ 23 ]}

• عيب بييروم
• العيوب البلورية في الماس
• تدوين كروجر-فينك
• مركز F

• هاجن كلاينرت ، حقول القياس في المادة المكثفة ، المجلد الثاني، "الإجهادات والعيوب" ، الصفحات  743-1456، دار النشر العالمية (سنغافورة، 1989)؛ غلاف ورقي ISBN 9971-5-0210-0
• هيرمان شمالزريد : تفاعلات الحالة الصلبة . فيرلاج كيمي، واينهايم 1981، ISBN 3-527-25872-8.