En cristalografía , una falla de apilamiento es un defecto plano que puede ocurrir en materiales cristalinos. [1] [2] Los materiales cristalinos forman patrones repetidos de capas de átomos. Pueden ocurrir errores en la secuencia de estas capas y se conocen como fallas de apilamiento. Las fallas de apilamiento se encuentran en un estado de mayor energía que se cuantifica por la entalpía de formación por unidad de área llamada energía de falla de apilamiento . Las fallas de apilamiento pueden surgir durante el crecimiento de cristales o por deformación plástica. Además, las dislocaciones en materiales de baja energía de falla de apilamiento generalmente se disocian en una dislocación prolongada , que es una falla de apilamiento limitada pordislocaciones parciales .
El ejemplo más común de fallas de apilamiento se encuentra en estructuras cristalinas compactas. Las estructuras cúbicas centradas en la cara (fcc) difieren de las estructuras hexagonales empaquetadas (hcp) solo en el orden de apilamiento: ambas estructuras tienen planos atómicos empaquetados con seis simetría: los átomos forman triángulos equiláteros. Al apilar una de estas capas sobre otra, los átomos no están directamente uno encima del otro. Las dos primeras capas son idénticas para hcp y fcc, y están etiquetadas como AB. Si la tercera capa se coloca de modo que sus átomos estén directamente encima de los de la primera capa, el apilamiento será ABA; esta es la estructura hcp, y continúa ABABABAB. Sin embargo, existe otra ubicación posible para la tercera capa, de modo que sus átomos no estén por encima de la primera capa. En cambio, son los átomos de la cuarta capa los que están directamente encima de la primera capa. Esto produce el apilamiento ABCABCABC, que está en la dirección [111] de una estructura cristalina cúbica. En este contexto, una falla de apilamiento es una desviación local de una de las secuencias de apilamiento compactas a la otra. Por lo general, solo las interrupciones de una, dos o tres capas en la secuencia de apilamiento se denominan fallas de apilamiento. Un ejemplo de la estructura fcc es la secuencia ABCABABCAB.
Formación de fallas de apilamiento en cristal FCC
Las fallas de apilamiento son defectos planos bidimensionales que pueden ocurrir en materiales cristalinos. Pueden formarse durante el crecimiento de los cristales, durante la deformación plástica cuando las dislocaciones parciales se mueven como resultado de la disociación de una dislocación perfecta, o por la condensación de defectos puntuales durante la deformación plástica de alta velocidad. [3] El inicio y el final de una falla de apilamiento están marcados por dislocaciones de línea parciales, como una dislocación parcial del borde. Las dislocaciones de línea tienden a ocurrir en el plano empaquetado más cercano en la dirección empaquetada más cercana. Para un cristal de FCC, el plano empaquetado más cercano es el plano (111), que se convierte en el plano de deslizamiento, y la dirección empaquetada más cercana es la dirección [110]. Por lo tanto, una dislocación de línea perfecta en FCC tiene el vector burgers ½ <110>, que es un vector de traslación. [4]
La división en dos dislocaciones parciales es favorable porque la energía de un defecto de línea es proporcional al cuadrado de la magnitud vectorial de la hamburguesa. Por ejemplo, una dislocación de borde puede dividirse en dos dislocaciones parciales de Shockley con un vector de hamburguesa de 1/6 <112>. [4] Esta dirección ya no está en la dirección empaquetada más cercana, y debido a que los dos vectores de la hamburguesa están a 60 grados entre sí para completar una dislocación perfecta, las dos dislocaciones parciales se repelen entre sí. Esta repulsión es una consecuencia de los campos de tensión alrededor de cada dislocación parcial que afectan a la otra. La fuerza de repulsión depende de factores como el módulo de corte, el vector de hamburguesa, la relación de Poisson y la distancia entre las dislocaciones. [4]
A medida que las dislocaciones parciales se repelen, se crea una falla de apilamiento en el medio. Debido a que la falla de apilamiento es un defecto, tiene una energía más alta que la de un cristal perfecto, por lo que actúa para atraer nuevamente las dislocaciones parciales. Cuando esta fuerza de atracción equilibra la fuerza de repulsión descrita anteriormente, los defectos están en estado de equilibrio. [4]
La energía de falla de apilamiento se puede determinar a partir del ancho de disociación de dislocación usando [4]
dónde y son los vectores de hamburguesas y es la magnitud vectorial de las dislocaciones parciales disociadas, es el módulo de corte , y la distancia entre las dislocaciones parciales.
Las fallas de apilamiento también pueden ser creadas por dislocaciones parciales de Frank con el vector burger de 1/3 <111>. [4] Hay dos tipos de fallas de apilamiento causadas por dislocaciones parciales de Frank: intrínsecas y extrínsecas. Se forma una falla de apilamiento intrínseca por aglomeración de vacantes y falta un plano con secuencia ABCA_BA_BCA, donde BA es la falla de apilamiento. [5] Una falla de apilamiento extrínseca se forma a partir de la aglomeración intersticial, donde hay un plano extra con secuencia ABCA_BAC_ABCA. [5]
Visualización de fallas de apilamiento mediante microscopía electrónica
Los fallos de apilamiento se pueden visualizar mediante microscopía electrónica. [6] Una técnica comúnmente utilizada es la microscopía electrónica de transmisión (TEM). La otra es la formación de imágenes de contraste de canalización de electrones (ECCI) en el microscopio electrónico de barrido (SEM).
En un SEM, los defectos cercanos a la superficie pueden identificarse porque el rendimiento de electrones retrodispersados difiere en las regiones del defecto donde el cristal está deformado, y esto da lugar a diferentes contrastes en la imagen. Para identificar la falla de apilamiento, es importante reconocer la condición exacta de Bragg para ciertos planos de celosía en la matriz, de modo que las regiones sin defectos detecten pequeños electrones retrodispersados y, por lo tanto, aparezcan oscuras. Mientras tanto, las regiones con la falla de apilamiento no satisfarán la condición de Bragg y, por lo tanto, producirán grandes cantidades de electrones retrodispersados y, por lo tanto, aparecerán brillantes en la imagen. Al invertir el contraste, se obtienen imágenes en las que la falla de apilamiento aparece oscura en medio de una matriz brillante. [7]
En un TEM, la formación de imágenes de campo brillante es una técnica que se utiliza para identificar la ubicación de las fallas de apilamiento. La imagen típica de falla de apilamiento es oscura con franjas brillantes cerca de un límite de grano de ángulo bajo, intercalado por dislocaciones al final de la falla de apilamiento. Los flecos indican que la falla de apilamiento está inclinada con respecto al plano de visualización. [3]
Fallas de apilamiento en semiconductores.
Muchos semiconductores compuestos , por ejemplo, los que combinan elementos de los grupos III y V o de los grupos II y VI de la tabla periódica, cristalizan en las estructuras cristalinas de fcc zincblenda o hcp wurtzita . En un cristal semiconductor, las fases fcc y hcp de un material dado suelen tener diferentes energías de banda prohibida . Como consecuencia, cuando la fase cristalina de una falla de apilamiento tiene una banda prohibida más baja que la fase circundante, [8] forma un pozo cuántico , que en los experimentos de fotoluminiscencia conduce a la emisión de luz a energías más bajas (longitudes de onda más largas) que para la masa cristal. [9] En el caso contrario (mayor band gap en la falla de apilamiento), constituye una barrera de energía en la estructura de bandas del cristal que puede afectar el transporte de corriente en los dispositivos semiconductores.
Referencias
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- ^ Hirth, JP y Lothe, J. (1992). Teoría de las dislocaciones (2 ed.). Krieger Pub Co. ISBN 0-89464-617-6.
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