خطأ التراكم

في علم البلورات ، يُعرف خطأ التراص بأنه عيب مستوٍ قد يحدث في المواد البلورية. ^{[ 1 ] [ 2 ]} تُشكّل المواد البلورية أنماطًا متكررة من طبقات الذرات. قد تحدث أخطاء في تسلسل هذه الطبقات، وتُعرف هذه الأخطاء باسم أخطاء التراص. توجد أخطاء التراص في حالة طاقة أعلى، تُقاس بكمية إنثالبي التكوين لكل وحدة مساحة، وتُسمى طاقة خطأ التراص . قد تنشأ أخطاء التراص أثناء نمو البلورات أو نتيجة التشوه اللدن. بالإضافة إلى ذلك، تتفكك الانخلاعات في المواد ذات طاقة خطأ التراص المنخفضة عادةً إلى انخلاع ممتد ، وهو خطأ تراص محاط بانخلاعات جزئية . ^{[ 3 ]}

يُعدّ التراكيب البلورية ذات التراص المتراص المثال الأكثر شيوعًا لعيوب التراص. تختلف التراكيب المكعبة ذات المراكز الوجهية (fcc) عن التراكيب السداسية ذات التراص المتراص (hcp) فقط في ترتيب التراص: فكلتاهما تحتويان على مستويات ذرية متراصة ذات تناظر سداسي - حيث تُشكّل الذرات مثلثات متساوية الأضلاع. عند تراص إحدى هذه الطبقات فوق الأخرى، لا تقع الذرات فوق بعضها البعض مباشرةً. الطبقتان الأوليان متطابقتان في كل من hcp و fcc، ويُرمز لهما بـ AB. إذا وُضعت الطبقة الثالثة بحيث تكون ذراتها فوق ذرات الطبقة الأولى مباشرةً، فسيكون التراص ABA - وهذا هو تركيب hcp، ويستمر التراص ABABABAB. مع ذلك، يوجد موقع آخر مُحتمل للطبقة الثالثة، بحيث لا تقع ذراتها فوق الطبقة الأولى. بدلًا من ذلك، تقع ذرات الطبقة الرابعة فوق الطبقة الأولى مباشرةً. ينتج عن ذلك التراص ABCABCABC، وهو في اتجاه [111] للتركيب البلوري المكعب. في هذا السياق، يُعرَّف خطأ التراص بأنه انحراف موضعي عن أحد تسلسلات التراص المتقاربة ^{[ 4 ]} إلى تسلسل آخر. وعادةً ما يُشار إلى انقطاعات طبقة واحدة أو طبقتين أو ثلاث طبقات فقط في تسلسل التراص على أنها أخطاء تراص. ومن الأمثلة على ذلك في بنية fcc التسلسل ABCABABCAB.

عيوب التراص هي عيوب مستوية ثنائية الأبعاد قد تحدث في المواد البلورية. تتشكل هذه العيوب أثناء نمو البلورات، أو أثناء التشوه اللدن نتيجة حركة الانخلاعات الجزئية بسبب تفكك الانخلاع الكامل، أو نتيجة تكثف العيوب النقطية أثناء التشوه اللدن عالي السرعة. ^{[ 5 ]} تُحدد بداية ونهاية عيب التراص بانخلاعات خطية جزئية، مثل الانخلاع الحافي الجزئي. تميل الانخلاعات الخطية إلى الظهور على مستوى التراص الأقرب في اتجاه التراص الأقرب. بالنسبة لبلورة مكعبة مركزية الوجوه (FCC)، يكون مستوى التراص الأقرب هو المستوى (111)، الذي يصبح مستوى الانزلاق، ويكون اتجاه التراص الأقرب هو الاتجاه [110]. لذلك، فإن الانخلاع الخطي الكامل في بلورة FCC له متجه برجر ½<110>، وهو متجه انتقالي. ^{[ 6 ]}

يُعدّ انقسام الخلع إلى خلعين جزئيين أمرًا مرغوبًا فيه لأن طاقة العيب الخطي تتناسب طرديًا مع مربع مقدار متجه برجر. على سبيل المثال، قد ينقسم خلع الحافة إلى خلعين جزئيين من نوع شوكلي بمتجه برجر يساوي 1/6<112>. ^{[ 6 ]}  لم يعد هذا الاتجاه ضمن اتجاه التراص الأكثر كثافة، ولأن متجهي برجر يشكلان زاوية 60 درجة بالنسبة لبعضهما البعض لإكمال خلع مثالي، فإن الخلعين الجزئيين يتنافران. هذا التنافر ناتج عن تأثير مجالات الإجهاد المحيطة بكل خلع جزئي على الآخر. تعتمد قوة التنافر على عوامل مثل معامل القص، ومتجه برجر، ونسبة بواسون ، والمسافة بين الخلعين. ^{[ 6 ]}

مع تنافر الانخلاعات الجزئية، يتشكل خطأ التراص بينها. وبحكم طبيعة خطأ التراص كونه عيبًا، فإنه يمتلك طاقة أعلى من طاقة البلورة المثالية، لذا يعمل على جذب الانخلاعات الجزئية معًا مرة أخرى. وعندما تتوازن قوة الجذب هذه مع قوة التنافر المذكورة أعلاه، تكون العيوب في حالة اتزان. ^{[ 6 ]}

يمكن تحديد طاقة خطأ التراص من عرض تفكك الخلع باستخدام ^{[ 6 ]}

${\displaystyle SFE={G{\boldsymbol {b}}_{1}\cdot {\boldsymbol {b}}_{2} \over 2\pi d}={Gb^{2} \over 4\pi d}}$

أين${\displaystyle {\boldsymbol {b}}_{1}}$و${\displaystyle {\boldsymbol {b}}_{2}}$هل البرغر عبارة عن متجهات و${\displaystyle b}$يمثل مقدار المتجه للانخلاعات الجزئية المنفصلة،${\displaystyle G}$هو معامل القص ، و${\displaystyle d}$المسافة بين الانخلاعات الجزئية.

قد تنشأ عيوب التراص أيضًا عن طريق الانخلاعات الجزئية لفرانك ذات متجه برجر 1/3<111>. ^{[ 6 ]} يوجد نوعان من عيوب التراص الناتجة عن الانخلاعات الجزئية لفرانك: عيوب داخلية وعيوب خارجية. يتشكل عيب التراص الداخلي نتيجة لتجمع الفراغات، حيث يوجد مستوى مفقود بتسلسل ABCA_BA_BCA، حيث BA هو عيب التراص. ^{[ 7 ]} أما عيب التراص الخارجي فيتشكل من تجمع الفراغات البينية، حيث يوجد مستوى إضافي بتسلسل ABCA_BAC_ABCA. ^{[ 7 ]}

يمكن تصوير عيوب التراص باستخدام المجهر الإلكتروني. ^{[ 8 ]} إحدى التقنيات الشائعة الاستخدام هي المجهر الإلكتروني النافذ (TEM). أما التقنية الأخرى فهي تصوير تباين توجيه الإلكترونات (ECCI) في المجهر الإلكتروني الماسح (SEM).

في المجهر الإلكتروني الماسح، يمكن تحديد العيوب القريبة من السطح لأن كمية الإلكترونات المرتدة تختلف في مناطق العيوب حيث تتعرض البلورة للإجهاد، مما يُنتج تباينات مختلفة في الصورة. ولتحديد خطأ التراص، من المهم معرفة شرط براغ الدقيق لبعض مستويات الشبكة في المادة الأساسية، بحيث تُظهر المناطق الخالية من العيوب كمية قليلة من الإلكترونات المرتدة، وبالتالي تظهر داكنة. في المقابل، لا تُحقق المناطق التي بها خطأ التراص شرط براغ، وبالتالي تُنتج كميات كبيرة من الإلكترونات المرتدة، فتظهر ساطعة في الصورة. ويؤدي عكس التباين إلى صور يظهر فيها خطأ التراص داكنًا وسط مادة أساسية ساطعة. ^{[ 9 ]}

في المجهر الإلكتروني النافذ، يُعدّ التصوير بالمجال الساطع إحدى التقنيات المستخدمة لتحديد موقع عيوب التراص. تظهر الصورة النموذجية لعيب التراص داكنة مع وجود حواف ساطعة بالقرب من حدود الحبيبات ذات الزاوية المنخفضة ، محصورة بين الانخلاعات عند نهاية عيب التراص. تشير الحواف إلى أن عيب التراص مائل بالنسبة لمستوى الرؤية. ^{[ 5 ]}

تتخذ العديد من أشباه الموصلات المركبة ، مثل تلك التي تجمع عناصر من المجموعتين الثالثة والخامسة أو من المجموعتين الثانية والسادسة من الجدول الدوري ، بنية بلورية مكعبة مركزية الوجوه (fcc) من نوع الزنكبلند أو بنية سداسية متراصة (hcp) من نوع الورتزيت. في بلورة أشباه الموصلات، عادةً ما يكون لطورَي fcc وhcp لمادة معينة طاقات فجوة نطاق مختلفة . ونتيجةً لذلك، عندما تكون فجوة النطاق في الطور البلوري لخطأ التراص أقل من فجوة النطاق في الطور المحيط، فإنه يشكل بئرًا كميًا ، مما يؤدي في تجارب التألق الضوئي إلى انبعاث ضوء عند طاقات أقل (أطوال موجية أطول) مقارنةً بالبلورة الأصلية. ^{[ 10 ]} في الحالة المعاكسة (فجوة نطاق أعلى في خطأ التراص)، يشكل ذلك حاجزًا طاقيًا في بنية نطاق البلورة، مما قد يؤثر على نقل التيار في أجهزة أشباه الموصلات.