DEFECTOS CRISTALINOS 1
DEFECTOS DE LA ESTRUCTURA CRISTALINA
Los sólidos reales contienen imperfecciones cuyo número y tipo juega un papel importante en la determinación de las propiedades del sólido.
Muchas de sus propiedades físicas y mecánicas de los materiales pueden ser afectados, tales como: - la capacidad de formar aleaciones en frío, - la conductividad elctrica - la corrosión etc.
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!ormación de un cristal Indeendiente!ente del !e"anis!o a!#iental $ue %a ori&inado un "ristal' este si&ue dos etaas: nucleación ( crecimiento. 1. N)CLEACI*N.+ Co!ien,a "on la for!a"i-n de un n"leo o art/"ula ini"ial' a artir de la "ual 0ste (a uede "re"er ( uede ser: Homogénea: misma composición del cristal Heterogénea:
diferente
composición. Las partículas extrañas quedan incluidas dentro del nuevo cristal. Cl
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2. CRECIIENTO.+ A artir artir de los n"leos se ini"ia el crecimiento de los "ristales sie!re $ue las "ondi"iones del !edio lo er!itan tie!o' esta#ilidad' et".
La "ristali,a"i-n nun"a es erfe"ta. 4aria"iones en el "olor o la for!a de los "ristales El "re"i!iento real de los "ristales se seara de este !odelo ideal' rodu"i0ndose los defectos cristalinos. Cl T i t 5
DEFECTO C!"T#L"$O C!"T#L"$O Son discontinuidades en la organización espacial del cristal. • Influyen en las propiedades mecánicas, físicas y químicas de los materiales cristalinos.
%ueden ocurren por : -
el movimiento t&rmico de las unidades que forman la red' tensiones impuestas so(re el sólido desde el exterior' dislocación de arista' defectos macroscópicos tales como fisuras' poros ) las inclusiones extrañas. Cl
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"
DEFECTO T*!+"CO: Dilatación t&rmica por vi(ración
. " DEFECTO ELECT!,$"CO: "mpure-as atómicas.
" +#TE!"#LE E+"CO$DCTO!E "
DEFECTOS ATÓMICOS : Fallos en la estructura cristalina
" %$T#LE' L"$E#LE O %E!F"C"#LE Cl
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DEFECTOS PUNTUALES " AT ATÓMOS ÓMOS INSTERSTICIALES INSTERSTICIALES:: "Átomo en un intersticio. "Espontneo. "L! concentr!ci"n !ument! con Temper!tur!. " LU#ARE LU#ARES S $ACANTE CANTES S: En %os &ue no '!( tomos " ÁTOMO E)TRA*OS: Átomos +i,erentes &ue se sit-!n en %os puntos reticu%!res o en %os 'uecos. Espontneo. L! concentr!ci"n sue con Temper!tur!.
C##$ LO EFECTO DE D"F",$.
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B
Esp!cios /!c0os en %! re+
DEFECTOS PUNTUALES
%ue"o
" Vacancia es un hueco creado por la perdida de un átomo #ue se encontra$a en esa posición dejando un lugar vacante. " %istorsionan la red. " &l número de vacantes en e#uili$rio se incrementa con la temperatura.
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DEFECTOS PUNTUALES
ATOMOS E)TRA*OS EN LA RED
&ste defecto ocurre cuando un átomo del sólido es reempla'ado por un átomo diferente.
&l átomo sustituyente puede ser más grande o más pe#ue(o #ue el átomo original.
&ste defecto puede presentarse como una impure'a o como una adición deli$erada en una aleación.
Las impure'as dan lugar a la formación de cristales no este#uiomtricos. Cl T i t
DEFECTOS PUNTUALES
"mperfección com(inada vacancia / defecto intersticial
DEFECTO FREN2EL. . )curre cuando un ion salta de un punto normal dentro de la red a un sitio intersticial dejando entonces una vacancia. *cristales iónicos+ DEFECTO SC1OTT23
O"urre O"urre "uando un i-n !i&ra a la suer<"ie "on otro i-n de si&no ouesto ori&inado un ar de 4a"an"ias en un !aterial "on Cl T i t enla"es i-ni"os.
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IPORTANCIA DE LOS DEFECTOS P)NT)ALES
ermiten: La
difusión en el estado sólido
!ormación
de soluciones sólidas *aleaciones+
lta
conductividad trmica y elctrica de los metales
Modifican
las propiedades del cristal
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Identi<$ue el defe"to untual:
"
Defecto de vacancia (….)
" Defecto Insterticial (….)
" Defecto sustitucional (…..)
Los defe"tos ==..===..son interru"iones lo"ali,adas en los arre&los Cl
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DEFECTOS DE I!EA •
Son defe"tos $ue dan lu&ar a una distorsi-n de la red "entrada en torno a una l/nea. Se "rean durante la solidi<"a"i-n de los s-lidos "ristalinos o or defor!a"i-n l>sti"a' or "ondensa"i-n de 4a"antes.
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IMPORTANCIA DE LAS DISLOCACIONES " roveen ductilidad en los metales. i no estuvieran presentes las dislocaciones, una $arra de hierro sería frágil y los metales no podrían ser moldeados por varios procesos tales como forjado. " &l desli'amiento atómico e/plica el por#ue de la baja especto al valor teórico resistencia de los metales r especto predicho por los enlaces metálicos " &s posi$le controlar las propiedades mecnicas de un metal o aleación inter!iriendo con el mo"imiento de las dislocaciones Cl
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DEFECTOS BIDI"E!SIO!AES !ronteras superficiales, interfases o planos #ue separan un material en regiones de la misma estructura cristalina pero con distintas orientaciones *material policristalino+. 0ipos: $orde de grano*limite entre cristales+, superficies li$res * en contacto con el am$iente+y planos de macla*cam$io de orientación del grano+.
RED de "ristal Cideal l T i t
RED de "ristal 16
I"ITES DE #$A!O e puede definir como la superficie que separa los 0ranos individuales de diferentes orientaciones cristalo0r1ficas en materiales policristalinos. e puede controlar las propiedades de un material mediante el endurecimiento por tamaño de 0rano de(ido a que los límites de 0rano act2an como (arreras al movimiento de dislocaciones.
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Li!ite de &rano
El %orde de macla es un lano
$ue seara dos artes de un &rano $ue tienen una e$ue?a diferen"ia en la orienta"i-n "ristalo&r><"a
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"onocristales
/ El ordenamiento atómico es perfecto / $o 3a) interrupciones a lo lar0o de todo el material material / $o 3a) cam(ios en la orientación de la red / La forma macroscópica de un monocristal puede refle4ar o no la simetría de la estructura cristalina #l0una aplicaciones in0enieriles precisan monocristales: El
i en la microelectronica 5afiro 6#l7O89 para la industria del l1ser El diamante en a(rasivos El $i en superaleaciones para 1la(es de tur(inas Las propiedades cam(ian con la dirección: anisotrópicos.
&olicristales La
ma)oría de los sólidos cristalinos est1n formados por pequeñas cristalitas; La estructura del cristal es la misma en cada una de las cristalitas' pero la orientación de la red varía de unas a otras Estas cristalitas se denominan 0ranos. La re0ión donde dos 0ranos se encuentran se llama frontera de 0rano. L!s
propie+!+es pro pie+!+es pue+en o no /!ri!r con %! +irecci"n. # causa de las imperfecciones est1n mas cerca de alcan-ar la resistencia mec1nica ideal. La ma)oría de los materiales en in0eniería son policristalinos. Cl
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Aplicaciones de los cristales &aneles fotovoltaicos n panel fotovoltaico consta de un cristal de sílice que' al ser estimulado por un fotón' es capa- de desprender electrones 4e,ecto ,otoe%5ctrico6 que son reco0idos por un material conductor. La fa(ricación de paneles fotovoltaicos tiene la necesidad de o(tención de cristales planos' a un (a4o coste.
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Aplicaciones de los cristales Cristales l'uidos Los crist!%es %0&ui+os constan de un fluido compuesto por mol&culas alar0adas que tienen la propiedad de ordenarse como un cristal ante la polari-ación el&ctrica del medio.. #l ordenarse cam(ian sus medio propiedades ópticas 6color' opacidad' etc9. e 3an utili-ado intensamente en las pantallas de pequeños aparatos electrónicos 6calculadoras' relo4es9 ) actualmente se est1n introduciendo en el mercado de los monitores 6pantalla plana9. Cl
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Aplicaciones de los cristales Cristales articiales
u uso en la industria como cristales a(rasivos 6el alto coste de los naturales como el diamante 9. En la 4o)eria 6variedad de piedras preciosas artificiales con colores impactantes9.
In,ormtic! n c3ip consta de distintas capas de materiales crecidos durante el proceso de fa(ricación: metal' óxido ) semiconductor cristalino 6sílice9 que' al reci(ir un impulso el&ctrico' puede transmitirlo o no a un material conductor. Cl
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E@er"i"io de ali"a"i-n. 1n o/ido de la forma 2 2 cristali'a en la misma m isma estructura del cloruro de sodio *3a4l: cú$ico de cara centrada para el ión 3a5 y para el ión 4l -+. &l compuesto tiene una fórmula apro/imada de 26,78 &l defecto se presenta de$ido a #ue algunas posiciones del catión están ocupados por átomos de y un número e#uivalente de las posiciones del anión están vacíos. %eterminar: *a+ la densidad del cristal no este#uiomtrico, si la constante reticular de la celda unidad es 9,7; <, *$+ el = de lugares vacantes del anión. >ta. 9, g?cc , @=
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E*ercicios 1. Si la densidad real de un ala!#re de "o#re' de 1;;"! de lar&o ( un "ent/!etro de di>!etro' es 9'3 &""' deter!ine: a. El or or"enta@ "enta@e e de 4a"a 4a"an"i n"ias as or or "ada "ada "elda "elda unita unitaria ria #. La "anti "antidad dad de de 4a"an" 4a"an"ia ia "onte "ontenid nidas as en el el ala!#r ala!#re e ". La "anti "antidad dad de >to!os >to!os de Cu en en el el ala!# ala!#rre. 2. Se tiene una solu"i-n solida for!ada or >to!os B''' siendo B el !etal #ase' esta disuelto intersti"ial!ente ( es sustituto. Se %a deter!inado eeri!ental!ente $ue 3;;1;;; lu&ares est>n 4a"antes' $ue la eansi-n 4olu!0tri"a es 2 "onser4ado la solu"i-n el !is!o tio de red FCC $ue el !etal #ase' $ue el or"enta@e de esa"ios 4a"ios totales es de 21 ( $ue la densidadCl esT 8'96 &"". Deter!ine la f-r!ula i t 25
A. &l o/ido de hierro BB cristali'a en la misma estructura del cloruro de sodio *3a4l: cú$ico de cara centrada para el ión 3a 5 y para el ión 4l-+. &l compuesto tiene una fórmula apro/imada de !e ) CD. &l defecto se presenta de$ido a #ue algunas posiciones del metal están ocupados por iones de !e 5A en lugar de iones !e 5@ y un número e#uivalente de las posiciones de los aniones están vacíos. i la relación de iones de !e 5A a iones de !e 5@ es como @es a D;, y la arista de la celda unidad es de A,@ E. %eterminar la densidad del cristal no este#uiomtrico. 9. 1na aleación formada por A elementos ,2 y 4 presenta un empa#uetamiento cú$ico de cuerpo centrado igual #ue el metal $ase FG. La aleación se ha formado por sustitución de 2 y por ocupación intersticial de 4. 4onsiderando #ue dos de cada 866 lugares de la red cristalina están vacantes, #ue el = atómico de 2 es D6= de , el de 4 es D6= de y la e/pansión volumtrica D,@;= . %eterminar la densidad de la aleación. %atos: >adio atómico de H D,D;E. Masa atómica de H ;I 2H ;,9 I 4H D@ Cl
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>)B&%%& !JB4 %& L) MB3&>L& Es"ala de o%s
+.D,$E-A /.E0foliación 1.Densidad 2.Tenacidad 3.Brillo 4.Color
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LOS SEMICOND&CTORES 1n material conductor , tiene gran cantidad de electrones li$res, permitiendo el flujo de electrones entre sus átomos *electricidad+ &je: el co$re.
1n aislante es todo lo contrario por lo cual se dice #ue no conduce electricidad. &je: lástico
1n semiconductor , es un material #ue tiene las propiedades elctricas de un conductor y de un aislante, como por ejemplo el #ermanio y el Silicio $metaloides%, este ultimo el más utili'ado en la actualidad para la fa$ricación de componentes electrónicos. Silicio - !a$ricación de componentes electrónicos - 4onstrucción de ladrillos, vidrios y otros materiales - ilicona para implantes mdicos
emiconductores comerciales
Son !ateriales de "ondu"ti4idad inter!edia entre la de los !etales ( la de los aislantes' $ue se !odi<"a en &ran !edida or la te!eratura' la e"ita"i-n -ti"a ( las i!ure,as.
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NI$ELES DE ENER#7A : +ientras m1s distante se encuentre el electrón del n2cleo ma)or es el estado de ener0ía' ) cualquier electrón que 3a)a de4ado su 1tomo' tiene un estado de ener0ía ma)or que cualquier electrón en la estructura atómica.
e?
#islante
emiconductor
Conductor
Dia&ra!a de #andas del Car#ono: diamante
a / & r e n E
5 estados>to!o E&H7e + + + +
5 ele"trones>to!o ele"trones>to!o
Ganda de "ondu""i-n
Ganda ro%i#ida
Ganda de 4alen"ia
Si Si un un ele"tr-n ele"tr-n de de la la #anda #anda de de 4alen"ia 4alen"ia al"an,ara al"an,ara la la ener&/a ener&/a ne"esaria ne"esaria ara ara saltar saltar aa la la #anda #anda de de "ondu""i-n' "ondu""i-n' odr/a odr/a !o4erse !o4erse al al estado estado 4a"/o 4a"/o de de la la #anda #anda de de "ondu""i-n "ondu""i-n de de otro otro >to!o >to!o 4e"ino' 4e"ino' &enerando &enerando "orriente "orriente el0"tri"a. el0"tri"a. AA te!eratura te!eratura a!#iente es ta ener&/a. a!#iente"asi "asinin&n nin&nele"tr-n ele"tr-ntiene tieneesta esta ener&/a. Es Esun unaislante. aislante.
Dia&ra!a de #andas del Car#ono: grafto
a / & r e n E
5 estados>to!o
+ + + + 5 ele"trones>to!o
Ganda de "ondu""i-n
Ganda de 4alen"ia
No No %a( %a( #anda #anda ro%i#ida. ro%i#ida. Los Los ele"trones ele"trones de de la la #anda #anda de de 4alen"ia 4alen"ia tienen tienen la la !is!a !is!a ener&/a ener&/a $ue $ue los los estados estados 4a"/os 4a"/osde dela la#anda #andade de "ondu""i-n' "ondu""i-n'or orlo lo$ue $ueueden ueden A !o4erse A !o4erse &enerando &enerando "orriente "orriente el0"tri"a. el0"tri"a. temperatura temperatura ambiente ambiente es es un un buen buen conductor. conductor.
Dia&ra!a de #andas del Ge 5 estados>to!o
a / & r e n E
E&H;'78e + + + +
5 ele"trones>to!o ele"trones>to!o
Ganda de "ondu""i-n Ganda ro%i#ida Ganda de 4alen"ia
Si Si un un ele"tr-n ele"tr-n de de la la #anda #anda de de 4alen"ia 4alen"ia al"an,a al"an,a la la ener&/a ener&/a ne"esaria ne"esaria ara ara saltar saltar aa la la #anda #anda de de "ondu""i-n' "ondu""i-n' uede uede !o4erse !o4erse al al estado estado 4a"/o 4a"/o de de la la #anda #anda de de "ondu""i-n "ondu""i-n de de otro otro >to!o >to!o 4e"ino' 4e"ino' &enerando &enerando "orriente "orriente el0"tri"a. el0"tri"a. AA te!eratura te!eratura a!#iente a!#iente al&unos eener&/a. ner&/a. Es Esun unsemiconductor. semiconductor. al&unosele"trones ele"tronestienen tienenesta estaener&/a.
SEMICOND&CTORES $CRISTAL $CRISTAL DE SILICIO% SILI CIO% Semiconductores Intrínsecos:
cristales en estado puro, todos los tomos son i-uales+ No tiene impure)as
En e'uilibrio $Aislante% $ Aislante%
Electrones libres ( )ona de conducci*n+ $Conductor%
TIPOS DE SEMICOND&CTORES Semiconductores Semiconductore s Extrínsecos:
se le a-re-an impure)as, es decir tomos di!erentes de otros materiales $aleaciones%+ Proceso conocido como dopaje del cristal de silicio+
TIPO P. Portadores ma(oritarios ma(oritarios /uecos $0%
TIPO N. Portadores ma(oritarios ma(oritarios electrones $1%
LA &NION PN &NION DE DOS ELECTRODOS $DIODO% $SEMICOND&CTORES P 3 N%
2ONA P.
Kona de agotamiento
2ONA N.
ortadores Mayoritarios uecos
*2arrera de potencial+
ortadores Mayoritarios electrones
C-!o se o#tiene S/!#olo Foto
0ransistor " e fa$rican con la unión de tres semiconductores y3 " egún se unan tenemos 33 o 3 " on dispositivos de 0>& terminales llamados, 4olector, 2ase y &misor
%tt:JJJ.(outu#e."o!Jat"%K4H%;,+L89
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