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RELACION DEFECTOS DE PUNTO Y LA DIFUSION EN ESTADO SOLIDO CON LAS TECNOLOGIAS ELECTRICAS

Introduccion Comenzare realizando una breve descripción para introducirnos en los defectos de punto y la difusión en estado solido de los materiales para asi poder comprender la repercusión que tienen estos a la hora de poder utilizarlos en la tecnología electrónica. En los materiales metalicos las estructuras cristalinas perfectas no existen ya que contienen imperfecciones en su estructura fundamentalmente originados durante la solidificación del material, o bien mediante su utilización al ser sometidos a cualquier tipo de esfuerzo, estas imperfecciones o defectos repercuten directamente sobre sus propiedades.

Defectos de Punto Son los defectos cristalinos mas sencillos y se relacionan directamente con los nudos de la red. Se originan durante la solidificación del material, bien por la posición incorrecta o por la ausencia de algún atomo o ion en su ubicación dentro de la red. Estos defectos condicionan las propiedades físicas del sólido donde se encuentra, como son la conductividad tanto en su aspecto electrónico como ionico y el color. También actúan aumentando la reactivadad de los sólidos y condicionando las propiedades mecánicas fundamentales en metales y cerámicos, esto es debido a que distorsionan la red y esta distorsión impide el movimiento de dislocaciones. Dentro de la naturaleza de estas imperfecciones los podremos encontrar intrínsecos y extrínsecos que a continuación paso a describir.

Intrinsecos: Son los defectos naturales del propio material ocasionado por el salto de atomos pudiendo encontrar los siguientes tipos:

1. Vacantes El mas simple de los defectos puntuales es la vacante de red, lugar normalmente ocupado por un atomo ahora ausente. Se producen durante la solidificación y también como consecuencia de las vibraciones, que desplazan los atomos de sus posiciones reticulares normales. En equilibrio, el numero de vacante Nv de una cantidad determinada de material depende de la temperatura,

-

n es el numero total de lugares ocupados por atomo,

-

-AH es la energía de activación,

-

T es la temperatura absoluta en grados Kelvin

-

R es la constante Boltzman o de gases siendo su valor 1,38 x 10-23 J/atomos R 2. Defectos Intersticiales y Autoinsterticiales Aparecen en redes metalicas o covalentes, y se producen al insertar un atomo propio o extraño en un intersticio de la red, debido al pequeño tamaño del intersticio al ser ocupado por un atomo la red se distorsiona. Al igual que en el caso de las vacantes al aumentar la temperatura, también lo hace el numero de defectos pero en este caso no se ve afectado tanto por la temperatura, este defecto no es muy probable y existen en pequeñas concentraciones.

Extrinsecos: Se trata de defectos de naturaleza externa, consecuencia de la presencia de átomos de impurezas o extraños al metal base en la red cristalina. Si éstos se sitúan en los intersticios de la red se denominan intersticiales. Es el caso de los átomos de pequeño radio atómico, que pueden alojarse fácilmente en los intersticios sin apenas provocar distorsión en la red. Si la impureza sustituye u ocupa una posición de equilibrio de la red del metal se considera un defecto sustitucional. Para que esto ocurra la impureza debe tener un tamaño, carga y estructura similar al sustituido. •

Tamaño: la diferencia entre radios atómicos de ambos elementos no debe superar el 15%.

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Carga: la diferencia de electronegatividades debe ser mínima.

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Estructura: para que la solubilidad en estado sólido sea completa, ambos tipos de elementos deben presentar estructuras cristalinas similares.

Defectos puntuales más habituales en materiales cerámicos:

• Schottky: Pareja de defectos consecutiva vacante intersticio. Afecta a cristales iónicos, fundamentalmente a haluros alcalinos como el NaCl. Es un defecto de tipo intrínseco, que consiste en la aparición de una vacante aniónica y otra catiónica, pudiendo estar estas juntas o separadas, para que se formen las vacantes mencionadas tanto como el catión como el anión deben irse a la superficie del sólido. La presencia de los pares vacantes crean inestabilidad en la red, ya que son huecos tanto + como y atraen a los iones de su alrededor distorsionando la red, los desplazamientos creados alrededor de las vacantes son del orden de 0.2Å. Estos defectos condicionan propiedades de tipo óptico y electrónico, pudiendo afectar también a propiedades mecánicas en menor medida. Podemos detectar este tipo de defecto por microscopia electrónica de alta resolución HREM. • Frenkel: Asocia un par vacante-intersticio de modo que el ocupante del intersticio se sitúa en el intersticio contiguo, creando así un defecto doble. Afecta a cristales iónicos. Es un defecto de tipo intrínseco, donde un ion se mueve desde su posición en la red hasta un intersticio, ese ion puede ser tanto anión como catión. Por ejemplo en el AgCl, se mueve el Ag+, mientras que en el CaF2 el que se mueve es el F-.

El paso de un ion de la red a un intersticio puede hacerse de dos lormas, que el ion se vaya directamente, o que un ion empuje al que migra y este se desplace al intersticio, donde se encontrará octacoordinado a 4 iones y 4 cationes. Este tipo de defecto se da en el AgCl y no en el NaCl ya que la plata es menos electropositiva que el sodio, y puede producir interacciones de tipo covalente ( entre la plata y los cloruros de alrededor), que estabilizan el defecto en el AgCl. • Centros de color: son defectos extrínsecos, no estequiométricos que aparecen sobre todo en haluros, se puede producir de dos formas: El NaCl es incoloro, al calentarse y ponerse en presencia de gas Na, este es absorbido por el cristal de NaCl, inmediatamente esta gas Na se ioniza, creando el defecto en el cristal por perdida de estequiometría. Para mantener la electroneutrlidad, un ión cloro de la red sale a la superficie, y el electrón emitido por el sodio se introduce en el cristal ocupando el hueco dejado por el cloro, este electrón interacciona con los iones circundantes de Na , esta interacción crea una serie de niveles energéticos y el electrón puede saltar de unos niveles energéticos a otros, estas transiciones ocurren mediante absorción de energía que esta dentro del espectro visible y colorean el cristal de NaCl ( verde amarillento). Si en lugar de gas Na, ponemos gas K, el color que aparecería sería el mismo, ya que no depende del elemento huésped sino del cristal anfitrión. La otra forma es someter al NaCl a una difracción de rayos X, de esta forma también se colorearía el cristal de verde amarillento, este proceso hace que un ión cloro de la red pierda un electrón que pasa a una vacante intrínseca que hubiera en esa red. La técnica usada para detectar centros de color es la espectroscopia por resonancia de spin electrónico, ESR, esta técnica detecta electrones desarrapados, ya que estos al tener sin desarrapado tienen un momento magnético que interacciona con los de los iones sodio que hay alrededor.