برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۶/۳۱ تا ۱۳۹۷/۰۷/۰۶

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۲,۲۳۳
  • بازدید این ماه ۱۳۷
  • بازدید امروز ۰
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۰
  • قبول شدگان ۰
  • شرکت کنندگان یکتا ۰
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۰
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

ویژه المپیاد دانش‌آموزی

طرح درس

منابع پیشنهادی نهمین المپیاد دانش آموزی نانو

نویسندگان
امتیاز کاربران

انواع نقص‌های بلوری

در بخش قبل در مورد عدم یکپارچگی نظم شبکه بلوری در موادی که به صورت تودهای در محیط اطراف وجود دارند، مفصلا صحبت شد؛ گفته شد که نظم ساختار مواد، تنها در قسمتهای مستقل و کوچک مشاهده می‌شود که به صورت کاملا نامنظم در کنار یکدیگر قرار گرفته و توده ماده را شکل میدهند. در این بخش می‌آموزیم که این قسمت‌ها نیز ممکن است نقص داشته و بر خواص توده ماده اثر بگذارند. در ادامه با انواع نقص‌های بلوری آشنا می‌شویم.
مقدمه
در بخش قبل در مورد عدم یکپارچگی نظم شبکه بلوری در موادی که به صورت تودهای در محیط اطراف وجود دارند، مفصلا صحبت شد؛ گفته شد که نظم ساختار مواد، تنها در قسمتهای مستقل و کوچک مشاهده می‌شود که به صورت کاملا نامنظم در کنار یکدیگر قرار گرفته و توده ماده را شکل میدهند. در این بخش می‌آموزیم که این قسمت‌ها نیز ممکن است نقص داشته و بر خواص توده ماده اثر بگذارند. در ادامه با انواع نقص‌های بلوری آشنا می‌شویم.

1- نقص بلوری
همانطور که در شکل 1دیده میشود، قسمت‌های کوچکی از ماده وجود دارد که دارای ساختار منظم است و این نظم در کل توده حفظ نشده است؛ هر یک از این قسمتهای منظم «دانه» نامیده می‌شود. حال این پرسش مطرح میشود که آیا نظم اتمها و یونها در هر دانه ـ که بر اساس ساختار ماده شکل میگیردـ نظمی کامل و بدون نقص است یا این که ممکن است در هر کدام از این دانه ها نیز کاستی هایی وجود داشته باشد؟!

filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820
شکل 1: طرحی ساده از ریزساختار

در پاسخ باید گفت که: بله! در شبکه بلوری این دانهها هم نقصهایی دیده میشود که به آن نقص بلوری گفته می‌شود.
نقص بلوری عبارت است از بینظمی اتمها و یونها در شبکه بلوری مواد. این بینظمی به صورت فقدان اتمها و یونها در محل و موقعیت خود و یا به صورت قرار گرفتن اتمها و یونها در مکانی غیر از جایگاه اصلی خود، دیده میشود. به عبارت سادهتر گاهی اتمها و یونها در جایی که باید باشند، نیستند و در جایی که نباید باشند، هستند.
حال ممکن است این سوال مطرح شود که مگر گفته نشد در هر دانه یک شبکه بلوری منظم وجود دارد، پس با توجه به اینکه نقصهای بلوری از نوعی بینظمی در شبکه بلوری حکایت میکنند، رابطه نظم موجود در هر دانه با بینظمی حاصل از نقصهای بلوری چگونه خواهد بود؟ آیا بینظمی ناشی از نقص بلوری، نظم شبکه بلوری دانه را برهم نمیزند؟
در پاسخ به پرسش فوق این نکته را باید دانست که نظم موجود در یک دانه، نظمی کلی است که تمامی وسعت آن را در بر میگیرد، در حالیکه بینظمیهای حاصل از نقصهای بلوری، جزئی است و در یک محدوده کوچک نظم را از بین میبرد. بنابراین در یک دانه یک نظم کلی وجود دارد که به موجب عیوب و نقصهای بلوری، بی‌نظمی‌هایی در برخی از نقاط آن ایجاد شده است. پس این بینظمیهای جزئی نظم کلی یک دانه را بر هم نمی‌زند. حال برای این که تصور بهتر و دقیقتری نسبت به عیبها وکاستیهای شبکه بلوری مواد پیدا شود به معرفی برخی از آنها پرداخته می‌شود.

1-1- نقص جای خالی
به شکل 2 نگاه کنید. در این شکل اگر کرههای کوچک را به عنوان یونهای مثبت (کاتیون) و کرههای بزرگ‌تر را به عنوان یونهای منفی(آنیون) فرض کنیم، یک شبکه بلوری بدون عیب و کامل دیده می‌شود:

filereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636
شکل 2: طرحی ساده از یک شبکه بلوری کامل و بدون نقص

نقصهای شبکه بلوری بیشتر به صورت خارج شدن یونها از محل خود بروز میکنند که در شکل‌های 3 و 4 می‌توان دو نمونه از آنها را مشاهده کرد؛ این نقصها را اصطلاحا نقص «جای خالی» مینامند.
شکل3 نشاندهنده عدم وجود یک یون مثبت یا کاتیون در محل خود است. اگر این شکل شبکه بلوری نمک طعام (NaCl) در نظر گرفته شود، نقص موجود در آن به صورت نبود یک یون مثبت سدیم (+Na) در جای خود است، یعنی یکی از یونهای سدیم در محلی که باید باشد، نیست. این نوع نقص شبکه بلوری که در اثر نبود یون مثبت در جای خود به وجود آمده است، «جای خالی کاتیونی» نامیده میشود.

filereader.php?p1=main_eccbc87e4b5ce2fe2
شکل 3: طرحی ساده از نقص جای خالی کاتیونی

شکل 4 نمایانگر عدم وجود یک یون منفی یا آنیون در جای خود است. اگر این شکل نیز شبکه بلوری نمک طعام (NaCl) در نظر گرفته شود، نقص نشان داده شده در آن به معنای نبود یک یون منفی کلر در جای خود است. این نقص شبکه بلوری که حاصلِ نبود یک یون منفی در مکان خود است به «جای خالی آنیونی» شهرت دارد.

filereader.php?p1=main_a87ff679a2f3e71d9
شکل 4: طرحی ساده از نقص جای خالی آنیونی

اکنون با توجه به آشنایی مختصر با سادهترین نقص شبکه بلوری، یعنی نقص جای خالی، ممکن است این سؤال پیش آید که منشاء پیدایش این کاستیها چیست؟ دو شاخه از علم به بررسی امکان و عوامل ایجاد کننده این نقصها میپردازد که به اختصار معرفی می شود:
شاخه اول«علم ترمودینامیک» است که با تحلیل مقتضیات ترمودینامیکی شبکههای بلوری به امکان یا عدم امکان ایجاد چنین نقصهایی در آنها میپردازد. علم ترمودینامیک با بررسی فیزیک اتمها و یونها در شبکههای بلوری، میگوید که شبکههای بلوری به صورت ذاتی مایل به داشتن این کاستیها در ساختار خود هستند یا نه؛ زیرا با ایجاد نواقص، انرژی شبکه بلوری کاهش و پایداری آن افزایش مییابد. این تفسیر میگوید که نقصها به طور طبیعی در مواد وجود خواهند داشت.
شاخه دوم، «علم سینتیک» است. علم سینتیک شرایط مورد نیاز برای به وجود آمدن چنین نقصهایی را بررسی میکند. درست است که علم ترمودینامیک امکان اتفاق افتادن این نواقص را مشخص میسازد، اما مسلما برای ایجاد آنها شرایط ویژهای لازم است که باید تامین گردد. علم کینتیک میگوید که با ایجاد چه تغییراتی در شرایط میتوان امکان ایجاد این کاستیها را تقویت کرده و یا آن را تضعیف کرد. علم سینتیک با بررسی فرآیندِ تشکیلِ نواقص، به شناسایی عوامل تاثیرگذار و میزان اثرگذاری آنها میپردازد.
این علم دو عامل را به عنوان عوامل اصلی موثر در ایجاد کاستیها معرفی میکند که عبارتند از: «دما» و «زمان». با افزایش دما امکان ایجاد نواقص در شبکه بلوری افزایش مییابد، بنابراین در دماهای پایینتر نقصهای کمتری در شبکه بلوری مواد وجود دارد.
برای توصیف اثر زمان لازم است کمی بیشتر فرآیند تشکیل بلور توضیح داده شود. در فرآیندهای سنتی ساخت مواد، که به فرآیندهای «ساختن بالا به پایین» شهرت دارد، عموما تشکیل بلور بر پایه فرآیند انجماد صورت می‌گیرد، به صورتی که ماده در حالت مایع ـ که فاقد نظم بلوری است ـ سرد میشود. با ادامه سرد شدن و نزدیک شدن به دمای انجماد، اتمها و یونها در کنار یکدیگر قرار گرفته و یک شبکه بلوری منظم را شکل میدهند. در دماهای بالاتر از نقطه انجماد اتمها و یونها امکان حرکت و جابجایی دارند، هر چقدر به نقطه انجماد نزدیکتر شویم، از این تحرک کاسته میشود. زمانی که دما از نقطه انجماد میگذرد و پایین‌تر از آن میآید، اتمها و یونها تحرک لازم برای جابجایی را از دست داده و بنابراین در محل خود ثابت میشوند.
با توصیف بالا از فرآیند انجماد و تشکیل شبکه منظم بلوری مشاهده شد که تنها زمان ممکن برای تشکیل بلور، زمانی است که دما از حدود بالایی نقطه انجماد به زیر نقطه انجماد میرسد. در این زمان اتمها و یونها باید از محل خود جابجا شده و به شکلی منظم در کنار یکدیگر قرار گیرند. بدیهی است که این جابجایی به یک حداقل زمانی نیاز دارد و گرنه اتمها و یونها فرصت قرار گرفتن در جای مناسب خود را نمییابند و تمامی محلهای لازم برای کامل شدن شبکه بلوری را پر می‌کنند. بنابراین کوتاه شدن زمان انجماد میتواند به نقص شبکه بلوری و طولانی شدن آن میتواند به شکلگیری کاملتر شبکه بلوری کمک نماید. اما به راستی چه چیزی این زمان را کنترل میکند؟
همانطور که پیشتر گفته شد این زمان چیزی به جز فاصله تغییر دما از دمای بالای نقطه انجماد به دمای پایین‌تر از این نقطه نیست. بنابراین ،عاملی که این زمان را کوتاه و یا طولانی میکند «سرعت تغییر دما» است، یعنی اینکه اگر ماده از حالت مایع به آهستگی سرد شود زمان بیشتری طول خواهد کشید تا به دمای پایینتر از نقطه انجماد برسد، بنابراین، اتمها و یونها این فرصت را خواهند یافت که در محل مناسب خود قرار گیرند و تمامی موقعیت‌های لازم را پر کنند. بر عکس اگر مایع به سرعت سرد شود دما سریعا به دمای زیر نقطه انجماد خواهد رسید و در نتیجه اتمها و یونها تحرک خود را فورا از دست خواهند داد و فرصت کافی برای جا به جا شدن و نشستن در محلهای مناسب را نخواهند داشت؛ بدیهی است که این کار موجب ایجاد نقص بیشتر در شبکه بلوری خواهد شد.
آیا انجماد سریع تنها دلیل ایجاد و تقویت نقص بلوری است و یا اینکه عوامل دیگری نیز میتوانند منجر به ایجاد آن شوند؟ پیش از پاسخ به این پرسش باید به این نکته دقت کرد که نواقص بلوری از نظر زمان ایجاد به دو دسته کلی تقسیم میشوند:
دسته اول اشکالاتی است که در زمان ایجاد بلور یعنی در زمان انجماد شکل میگیرد و دسته دوم پس از تشکیل بلور یعنی پس از زمان انجماد در شبکه بلوری به وجود میآید. این نواقص میتواند ساعتها و یا سالها بعد از انجماد و تشکیل بلور در شبکه بلوری ایجاد شود. دسته نخست که نواقص زمان انجماد هستند، عمدتا از طریق انجماد سریع و یکنواخت نبودن مایع در حال انجماد حاصل میشوند، البته عوامل دیگری نیز در ایجاد کاستی‌های ناشی از زمان انجماد موثر هستند اما عامل اصلی همان کاهش سریع دما است. در بررسی دسته دوم یعنی نواقص پس از انجماد لازم است کمی به فرآیند ایجاد نقص در شبکه بلوری پرداخته شود.
اگر قرار باشد یک نقص جای خالی در شبکه بلوری ایجاد شود، لازم است که یک اتم یا یون از محل خود خارج شود، از طرفی دلیل حرکت آزادانه اتمها و یونها در حالت مایع، وجود انرژی جنبشی زیاد (به دلیل دمای بالاتر) در آنها است، همچنین اتمها و یونها حتی در حالت جامد نیز دارای حرکت هستند (البته این حرکات عموما به صورت ارتعاش در محل خود و گاهی به شکل جابجاییهای محدود است که با آزادی حرکت اتمها و یونها در حالت مایع قابل مقایسه نیست). اما این حرکت برای کنده شدن یک اتم یا یون کافی نیست؛ پس میتوان گفت برای این کار کافی است که انرژی لازم برای حرکت ذره مورد نظر فراهم شود. با فراهم شدن انرژی لازم، اتمها و یونهای گیرنده انرژی امکان خارج شدن از محل خود را خواهند داشت.
با توجه به توضیحات فوق نواقص پس از انجماد از طریق قرار گرفتن شبکه بلوری در معرض انرژی کافی به وجود میآید. این انرژی میتواند از طریق گرم شدن، کار مکانیکی (مانند کشیدن، فشردن، خم کردن و ... )، قرار گرفتن در معرض امواج الکترومغناطیس (نور، اشعه ماوراء بنفش، پرتوهای ایکس، اشعه گاما و ... ) و پرتوهای پر انرژی (الکترونی، نوترونی و ...) تامین گردد.

1-2- نقص بین نشینی
یکی دیگر از کاستیهایی که در شبکه های بلوری فراوان دیده میشود، نقص «بین نشینی» است. این نقص حاصل قرار گرفتن یک اتم یا یون در محلی خارج از محل خود، در میان دیگر اتمها و یونها است. با فرض اینکه شکل 5 نمایانگر یک شبکه بلوری بدون نقص است انواع نواقص بین نشینی به شرح زیر است:

filereader.php?p1=main_e4da3b7fbbce2345d
شکل 5: طرحی ساده از یک شبکه بلوری کامل

نقص بیننشینی به دو شکل خود را نشان می دهد:

یکی از صور این عیب، بیننشینی خود اتمها و یونهای متعلق به شبکه در فضای موجود بین اتمها و یونهای دیگر آن است که در شکل 6 نشان داده شده است؛ بدیهی است که شرط ایجاد این عیب سازگاری اندازه‌ی یون بیننشین، با فضاهای خالی موجود میان یونهای شبکه بلوری است؛ زیرا یون بیننشین باید بتواند خود را در فضاهای موجود بین دیگر یونها جا کند.

filereader.php?p1=main_1679091c5a880faf6
شکل 6: طرحی ساده از بیننشینی اتم های خودی

filereader.php?p1=main_8f14e45fceea167a5
شکل 7: طرحی ساده از بین نشینی یون های غریبه

نوع دیگر نقص بین نشینی، قرار گرفتن یک یون خارجی در فضای میان یون هاست (مطابق شکل7). بدیهی است که سازگاری اندازه یون بیننشین با فضای خالی موجود در میان یونهای شبکه بلوری، در این نوع از بیننشینی هم ضروری است. البته همانطور که در تصاویر 6 و 7 نیز دیده میشود، شبکه بلوری امکان تغییر شکل جزئی برای پذیرفتن یون بیننشین را دارد که میزان آن به اندازه‌ی یون بیننشین بستگی دارد، این تغییر شکل جزئی ساختار شبکه بلوری که «اعوجاج شبکه» خوانده میشود، میتواند به صورت کشیدگی ـ در برابر یونهای بزرگ‌تر از فضای خالی موجود ـ (شکل 6) و یا جمعشدگی ـ در برابر یونهای کوچکتر از فضای موجود ـ (شکل 7) خود را نشان دهد.

1-3- نقص جانشینی
حضور یونهای خارجی در شبکه همیشه به صورت بیننشینی نیست؛ گاهی هم این یونها به جای یونهای خود شبکه مینشینند. این عمل نقص «جانشینی» را در شبکه بلوری ایجاد میکند.
اگر شکل 8 یک شبکه بلوری کامل در نظر گرفته شود، میتوان در شکل 9 نقص جانشینی را که به صورت قرار گرفتن یک یون خارجی (یون مشخص شده با پیکان) به جای یکی از یونهای اصلی(یونهای کوچک‌تر) در شبکه نشان داده شده است، تشخیص داد:

filereader.php?p1=main_c9f0f895fb98ab915
شکل 8: طرحی ساده از یک شبکه بلوری کامل

filereader.php?p1=main_45c48cce2e2d7fbde
شکل 9: طرحی ساده از جانشینی یون های غریبه

یون جانشین شده میتواند کاتیون یا آنیون باشد که در حالت اول نقص حاصل «جانشینی کاتیونی» و در حالت دوم «جانشینی آنیونی» خواهد بود. تفاوت نقصهای بیننشینی و جانشینی را میتوان در مقایسه تصاویر 7 و 9 مشاهده کرد. در حالت بیننشینی، یون خارجی در جای یون اصلی شبکه قرار نگرفته است، بلکه در فضاهای خالی موجود در شبکه جای دارد، در حالیکه در نقص جانشینی، یون خارجی درست در محل یکی از یونهای اصلی شبکه قرار گرفته و به جای آن نشسته است.
نواقص جانشینی نیز مانند نواقص بیننشینی، موجب اعوجاج در شبکه بلوری خواهند شد، بدیهی است که در اینجا هم میزان اعوجاج متناسب با اختلاف اندازهی یون خارجی وارد شده در شبکه و یون اصلی شبکه است. بنابراین این نوع نقص نیز میتواند سبب کشیدگی و یا جمع شدگی شبکه بلوری در اطراف محل دچار نقص شود.
حال که انواع بیشتری از کاستیهای شبکه بلوری مطرح شد لازم است به یک پرسش جدی پاسخ داده شود: آیا نقصهای شبکه بلوری که عیوب شبکه بلوری نیز نامیده می شود واقعا بد هستند؟ آیا این نواقص بر خواص ماده اثر منفی میگذارند؟ یا اینکه حتی ممکن است موجب بهبود برخی از خواص مواد نیز شوند؟! در بخش آینده به این موضوع می‌پردازیم.

منابـــع و مراجــــع

مجموعه مقالات سایت باشگاه نانو