Substitutionaltilanteessa

Substitutionaltilanteessa tarkoitetaan tilannetta, jossa kiinteässä liuoksessa isäntäatomit korvautuvat toisen alkuaineen atomeilla kiderakenteessa. Tämä johtaa substitutional solid solution -nimellä tunnettuun korvausliuokseen, jossa komponentit jakavat samanlaisen kristallirakenteen. Ilmiö on keskeinen metalliseoksissa ja esiintyy myös joissain puolijohteissa dopingin yhteydessä.

Ominaisuudet ja kriteerit. Substitutionalinen liuos muodostuu, kun korvaavien atomien koko-, rakenne- ja kemiallinen sopeutuvuus isäntäatomien kanssa on riittävä. Yleisesti pätee, että atomien sädepoikkeaman tulisi olla pienempi kuin noin 10–15 prosenttia, ja ne voivat jakaa saman kristallijärjestyksen (esim. FCC, BCC, HCP). Latticeparametri muuttuu koosta riippuvaisesti, usein Vegardin lain mukaisesti: koostumus vaikuttaa oikaisemaan kubin tilavuuden arvoa lineaarisesti. Liuoksen mikroskooppinen stabiilisuus sekä termodynaaminen tasapaino määräytyvät entropian ja entalpian summana.

Diffuusio ja käsittely. Substitutional atomit liikkuvat kiinteässä liuoksessa pääasiassa atomikohtaisten vajaavaisuuksien tai muita elävien aukkojen kautta, jolloin korkeat lämpötilat ja annealointi voivat lisätä sekoittumista. Doppaus puolijohteissa on tyypillisesti substitutionalista: piin (Si) korvaavatatomit ovat fosfori (P), arsenikki (As) tai boori (B), jotka vaikuttavat johtavuuteen donor- tai acceptorominaisuuksien kautta.

Esimerkit ja sovellukset. Tunnettuja substitutionalliuoksia ovat Cu–Ni-, Fe–Cr- ja Al–Mg-järjestelmät. Puolijohteissa substitutionalldopingin avulla voidaan muokata sähköistä ominaisuutta ja kuitukaressa ohjautua laitteen toiminta. Substitutionalilöykset tarjoavat keinon hallita materiaaleihin liittyviä lujuus-, vahvuus- ja johtavuusominaisuuksia.