Krystalldefekter

Krystalldefekter, ofta kallade kristalldefekter, är avvikelser från ett perfekt kristallgitter som bryter perioditeten i materialets struktur. De uppstår vid bildning, bearbetning eller termisk behandling och kan påverka egenskaper såsom mekanisk styrka, duktilitet, diffusionsförmåga samt elektriska och optiska beteenden. Defekterna är centrala för hur ett material uppför sig under belastning, vid höga temperaturer och när det utsätts för elektriska fält eller ljus.

De viktigaste kategorierna är punktdefekter, linjedefekter och planära defekter. Punktdefekter innefattar vakanser, interstitiella atomer och substitutionsdefekter där främmande atomer ersätter kristallatomer. I joniska kristaller förekommer även Frenkel- och Schottky-defekter: Frenkel-defekter består av en interstitiell atom och en närliggande vakanse, medan Schottky-defekter uppstår som par av vakans för olika joner i laddningens balans.

Linjära defekter kallas dislokationer och utgör störningar som följer en linje genom gitterstrukturen. Kant-, skruv- och blandade dislokationer påverkar hur kristallen deformeras genom glidning och klättring. Planära defekter inkluderar korngränser, stackningsfel och tvillingar, vilka uppstår när två kristallkorn möts eller när orienteringen varierar inom materialet.

Defekter påverkar diffusionsbanor samt elektroniska och optiska egenskaper. De kan förändra mekaniska egenskaper som hållfasthet och duktilitet; i halvledare påverkar de dopningens effektivitet och carrier-diffusion samt rekombination; i optiska material kan vissa defekter fungera som färgcentra eller elektroniska traps.

Exempel är vakanser i metaller som försvagar materialet efter kylning, eller dopning i kisel som styr ledningsbanden. För att kontrollera defekter används processer som annealing och andra termiska behandlingar samt mekanisk bearbetning. Karakterisering sker med tekniker som transmissionselektronmikroskopi och röntgendiffraktion, ofta i kombination med elektronmikroskopi.