DEFECTOS E IMPERFECCIONESDEFECTOS E IMPERFECCIONESen los Arreglos atómicosen los Arreglos atómicos

1.1. Defectos puntualesDefectos puntuales

2.2. Defectos lineales Defectos lineales (Dislocaciones)(Dislocaciones)

3.3. Defectos superficialesDefectos superficiales

En muchas aplicaciones es útil la presencia En muchas aplicaciones es útil la presencia de defectos; sin embargo hay unas pocas de defectos; sin embargo hay unas pocas en las que se trata de minimizar algunos en las que se trata de minimizar algunos defectosdefectos

Por ejemplo las dislocaciones son Por ejemplo las dislocaciones son útiles para aumentar la útiles para aumentar la resistencia de los metales y resistencia de los metales y aleaciones, aleaciones, Sin embargo en el Sin embargo en el silicio monocristalino (usado en silicio monocristalino (usado en chips) no son deseeble las chips) no son deseeble las dislocacionesdislocaciones

Los defectos se pueden crear Los defectos se pueden crear intencionalmente para obtener intencionalmente para obtener determinadas propiedades determinadas propiedades electrónicas, ópticas, mecánicaselectrónicas, ópticas, mecánicas

Ejemplo:Ejemplo:El hierro puro es relativamente El hierro puro es relativamente suavesuave, pero , pero con pequeñas con pequeñas cantidades de carbón se crean cantidades de carbón se crean defectos en el arreglo cristalino y defectos en el arreglo cristalino y se convierte en acero al carbonose convierte en acero al carbono

La alumina pura es transparente, pero La alumina pura es transparente, pero cuando se agrega una pequeña cuando se agrega una pequeña cantidad de cromo se produce en cristal cantidad de cromo se produce en cristal de rubi rojo.de rubi rojo.

En el cristal de silicio para En el cristal de silicio para microelectrónica se agrega microelectrónica se agrega pequeñas concentraciones de pequeñas concentraciones de átomos de P o B que provocan átomos de P o B que provocan defectos en los arreglos que defectos en los arreglos que aportan propiedades eléctricas aportan propiedades eléctricas especiales a distintas regiones del especiales a distintas regiones del cristal (transistores)cristal (transistores)

Cuando se desea usar cobre Cuando se desea usar cobre como conductor en como conductor en microelectrónica, se usa con microelectrónica, se usa con máxima pureza, máxima pureza, (esto se (esto se debe a que una pequeñísima debe a que una pequeñísima cantidad de impurezas causan cantidad de impurezas causan un aumento de varios órdenes un aumento de varios órdenes de magnitud en la resistividad de magnitud en la resistividad del cobre)del cobre)

Defectos PuntualesDefectos Puntuales

Son interrupciones en los arreglos de Son interrupciones en los arreglos de los atómicoslos atómicos o iónicoso iónicos (de no ser así la (de no ser así la

estructura sería perfecta)estructura sería perfecta)

• La fig. 1 ilustra los típicos defectos puntualesLa fig. 1 ilustra los típicos defectos puntuales

• Un defecto puntual afecta toda la región Un defecto puntual afecta toda la región donde interviene varios átomos o ionesdonde interviene varios átomos o iones..

Se pueden crear debido al movimiento Se pueden crear debido al movimiento de los átomos o iones cuando aumenta de los átomos o iones cuando aumenta la energía al calentarlos, al introducir la energía al calentarlos, al introducir por: por:

•impurezasimpurezas presentes en la materia o presentes en la materia o

• por por dopado dopado ((elementos o compuestoselementos o compuestos agregados en forma deliberada) en agregados en forma deliberada) en concentraciones controladas y lugares concentraciones controladas y lugares específicos específicos

vacanciavacancia

Se produce cuando falta un átomo o Se produce cuando falta un átomo o un ion en su sitio normal de la un ion en su sitio normal de la estructura cristalina, es decir cuando estructura cristalina, es decir cuando hay una vacancia (ver fig. 1 a). hay una vacancia (ver fig. 1 a).

Al haber una vacancia aumenta el Al haber una vacancia aumenta el desorden normal o entropía del desorden normal o entropía del material, lo que aumenta la material, lo que aumenta la estabilidad termodinámica de un estabilidad termodinámica de un material cristalinomaterial cristalino

Las vacancias aparecen en los Las vacancias aparecen en los metales y aleaciones durante metales y aleaciones durante la solidificación o por la solidificación o por radiación.radiación.

Las vacancias determinan la Las vacancias determinan la velocidad con que se pueden velocidad con que se pueden mover los átomos o ionesmover los átomos o iones; es ; es decir difundirse en un material decir difundirse en un material sólido (especialmente en sólido (especialmente en metales puros)metales puros)

Defectos intersticialesDefectos intersticialesSe forman cuando se inserta un átomo o ion

adicional en la estructura cristalina en una posición normalmente desocupada,

La fig. 2 ilustra los átomos o iones La fig. 2 ilustra los átomos o iones intersticiales mucho menores que los intersticiales mucho menores que los átomos o iones de los puntos de redátomos o iones de los puntos de red

Defectos sustitucionalesDefectos sustitucionales• Se introduce un defecto sustitucional Se introduce un defecto sustitucional

cuando un átomo o ion es sustituido con cuando un átomo o ion es sustituido con un tipo distinto de átomo o ion, tal como un tipo distinto de átomo o ion, tal como se muestra en la fig. 1.cse muestra en la fig. 1.c

• Los átomos o iones sustitucionales Los átomos o iones sustitucionales ocupan el sitio normal de la red. ocupan el sitio normal de la red.

• Pueden ser mayores o menores que los Pueden ser mayores o menores que los átomos o iones normales de estructura átomos o iones normales de estructura cristalina principal.cristalina principal.

• Los defectos sustitucionales se pueden Los defectos sustitucionales se pueden introducir en forma de impureza o introducir en forma de impureza o deliberadadeliberada

• Como ejemplo de sustitución esta la Como ejemplo de sustitución esta la incorporación de dopantesincorporación de dopantes

Defecto de FrenkelDefecto de Frenkel

También conocido como PAR DE FRENKEL es un par vacancia-intersticial que se forma cuando un ion salta de un punto normal de red a un sitio intersticial (ver fig. 1.e)y deja atrás una vacancia.

Defecto de SchottkyDefecto de Schottky

En este defecto las vacancias se En este defecto las vacancias se presentan en un material con enlace presentan en un material con enlace iónico donde debe faltar un número iónico donde debe faltar un número estequiométrico de aniones y estequiométrico de aniones y cationes en el cristal que se quiere cationes en el cristal que se quiere conservar en él a neutralidad conservar en él a neutralidad eléctrica (fig. 1.f)eléctrica (fig. 1.f)

Fig. 1.f Suele encontrarse en materiales Fig. 1.f Suele encontrarse en materiales cerámicoscerámicos

Defectos puntuales Defectos puntuales sustitucionalessustitucionales Se presenta cuando un ion de una Se presenta cuando un ion de una

carga remplaza a otro de carga carga remplaza a otro de carga distinta.distinta.

Por ejemplo:Por ejemplo:

Cuando un ion de valencia +2 Cuando un ion de valencia +2 reemplaza a otro de valencia +1 reemplaza a otro de valencia +1

Fig. 2 muestra como un catión divalente Fig. 2 muestra como un catión divalente reemplaza un monovalentereemplaza un monovalente

En este caso se induce una En este caso se induce una carga positiva adicional en la carga positiva adicional en la estructura para permanecer estructura para permanecer en equilibrio.en equilibrio.

DislocacionesDislocaciones

Son imperfecciones lineales en un Son imperfecciones lineales en un cristal que de otra manera sería cristal que de otra manera sería perfecto.perfecto.

Se introducen en los cristales durante el Se introducen en los cristales durante el momento de la solidificación del momento de la solidificación del material o cuando el material de material o cuando el material de deforma permanentemente.deforma permanentemente.

Aunque todos los materiales hay Aunque todos los materiales hay dislocaciones dislocaciones son especialmente útiles son especialmente útiles para explicar la deformación y el para explicar la deformación y el endurecimiento de los materiales endurecimiento de los materiales metálicosmetálicos

Dislocaciones

De tornillo De borde Mixtas

Dislocaciones de tornilloDislocaciones de tornillo

Se pueden ilustrar haciendo un corte Se pueden ilustrar haciendo un corte parcial en un cristal perfecto, y a parcial en un cristal perfecto, y a continuación torciendo ese cristal continuación torciendo ese cristal una distancia atómicauna distancia atómica

Fig. 4 Dislocaciones de tornilloFig. 4 Dislocaciones de tornillo

Dslocación de borde o aristaDslocación de borde o arista

Se pueden ilustrar haciendo un corte Se pueden ilustrar haciendo un corte parcial en un cristal perfecto, y parcial en un cristal perfecto, y llenando en parte el corte con un llenando en parte el corte con un plano adicional de átomosplano adicional de átomos

(ver fig. 4.5 del libro Donald. Por (ver fig. 4.5 del libro Donald. Por anexar)anexar)

Dislocaciones mixtasDislocaciones mixtas

Tienen componentes de borde y de Tienen componentes de borde y de tornillo, con una región de transición tornillo, con una región de transición entre ellas. Sin embargo su vector de entre ellas. Sin embargo su vector de Burgers queda igual para todas las Burgers queda igual para todas las porciones de la dislocación.porciones de la dislocación.

Fig. 5 ilustra la dislocación mixtaFig. 5 ilustra la dislocación mixta

Fig. 6 Indica desplazamientos de planos en dislocacionesFig. 6 Indica desplazamientos de planos en dislocaciones

DeslizamientoDeslizamientoEl proceso por el que se mueve una El proceso por el que se mueve una

dislocación y hace que se deforme un dislocación y hace que se deforme un material metálico se llama material metálico se llama deslizamiento.deslizamiento.

La dirección en la que se mueve la La dirección en la que se mueve la dislocación es la dirección de dislocación es la dirección de deslizamiento. Y es la del vector de deslizamiento. Y es la del vector de Burgers para las dislocaciones de borde .Burgers para las dislocaciones de borde .

En una de tornillo la dirección de la En una de tornillo la dirección de la dislocación perpendicular al vector dislocación perpendicular al vector Burgers aunque el cristal se deforma en Burgers aunque el cristal se deforma en dirección paralela al vectordirección paralela al vector

Importancia de los Importancia de los defectosdefectos

Los defectos desempeñan una función muy importante en definición de las propiedades mecánicas, eléctricas, ópticas y magnéticas de los materiales.

Efectos de las imperfecciones Efectos de las imperfecciones sobre las propiedades en un sobre las propiedades en un materialmaterial

• Todas las imperfecciones contenidas Todas las imperfecciones contenidas en un cristal aumentan la energía en un cristal aumentan la energía interna en el lugar de la interna en el lugar de la imperfección. Porque en la zona de la imperfección. Porque en la zona de la imperfección, los átomos, o están imperfección, los átomos, o están muy cercaos (sujetos a compresión) muy cercaos (sujetos a compresión) o muy apartados (sujetos a tensión).o muy apartados (sujetos a tensión).

De las dislocaciónes De las dislocaciónes

Si las dislocacion se encuentra en una región Si las dislocacion se encuentra en una región donde los átomos están desplazados respecto donde los átomos están desplazados respecto a su posición normal, se requiere un esfuerzo a su posición normal, se requiere un esfuerzo mayor el paso de la dislocación por la región mayor el paso de la dislocación por la región de alta energía.de alta energía.

En consecuencia el material es más resistente.En consecuencia el material es más resistente.

En los materiales las dislocaciones, los defectos En los materiales las dislocaciones, los defectos puntuales y los límites de grano sirven como puntuales y los límites de grano sirven como una barrera a las dislocacionesuna barrera a las dislocaciones

¿Es posible controlar la resistencia ¿Es posible controlar la resistencia de un materia?de un materia?

Si, controlando la cantidad y el tipo de imperfecciones.

Existen tres mecanismos para el endurecimiento basados en tres en categorías de defectos en los cristales.

• El movimiento de dislocaciones es El movimiento de dislocaciones es relativamente fácil en los metales y relativamente fácil en los metales y aleaciones, por lo que se recomienda aleaciones, por lo que se recomienda para estos materiales.para estos materiales.

• Al tener en cuenta la resistencia a la Al tener en cuenta la resistencia a la tensión y a las bajas temperaturas, está tensión y a las bajas temperaturas, está determinada por la cantidad de determinada por la cantidad de porosidad.porosidad.

• En los polímeros amorfos las En los polímeros amorfos las dislocaciones tienen poco efecto en dislocaciones tienen poco efecto en su comportamiento mecánico.su comportamiento mecánico.

• La resistencia de los vidrios La resistencia de los vidrios inorgánicos (como el vidrio flotado de inorgánicos (como el vidrio flotado de silicato) depende de la distribución silicato) depende de la distribución de diminutas fallas sobre la de diminutas fallas sobre la superficie.superficie.

Endurecimiento por Endurecimiento por deformacióndeformación La dislocación interrumpe la La dislocación interrumpe la perfección de la estructura perfección de la estructura cristalina.cristalina.

Endurecimiento por solución Endurecimiento por solución sólidasólida

Cuando la estructura cristalina de un Cuando la estructura cristalina de un material anfitrión asimila por material anfitrión asimila por competo los átomos o iones de otro competo los átomos o iones de otro elemento o compuesto.elemento o compuesto.

Endurecimiento por tamaño de Endurecimiento por tamaño de granograno

Al aumentar la cantidad de granos o Al aumentar la cantidad de granos o reducir el tamaño del grano, reducir el tamaño del grano, se se produce un endurecimiento por produce un endurecimiento por tamaño de grano en los materiales tamaño de grano en los materiales metálicos.metálicos.

Existe también otro procedimiento de Existe también otro procedimiento de endurecimiento por precipitaciónendurecimiento por precipitación..

Investigación Investigación

1.- estudiar los puntos 1.4.1 y 1.4.2 del 1.- estudiar los puntos 1.4.1 y 1.4.2 del programa en el libro Askeland Donald programa en el libro Askeland Donald R.R.

2.- Elaborar un resumen de los puntos 2.- Elaborar un resumen de los puntos

Contestar el cuestionario anexo.en Contestar el cuestionario anexo.en formato Word.formato Word.