ショットキー欠陥

ショットキー欠陥は、結晶格子内のサイト占有の励起であり、ウォルター・H・ショットキーにちなんで名付けられた点欠陥につながります。イオン結晶では、反対に帯電したイオンが格子サイトを離れて、たとえば表面に組み込まれ、反対に帯電した空孔を作成するときにこの欠陥が形成されます。これらの空孔は化学量論単位で形成され、イオン性固体の全体的な中性電荷を維持します。

ショットキー欠陥は、化学量論比の占有されていない陰イオンと陽イオンのサイトから構成されます。A ⁻ B ⁺型の単純なイオン結晶の場合、ショットキー欠陥は単一の陰イオン空孔 (A) と単一の陽イオン空孔 (B) で構成されます。つまり、v^•
_​+ 上^{⁠ ⁠${\displaystyle \prime}$}
_Bクローガー・ヴィンク記法 に従います。より一般的な結晶の式 A _x B _yでは、ショットキークラスターは A の x 個の空孔と B の y 個の空孔から形成され、全体的な化学量論と電荷の中性は保存されます。概念的には、結晶が 1 つの単位胞だけ拡大され、その a 個の先行する空孔が内部から拡散した原子によって埋められ、結晶内に空孔が形成されると、ショットキー欠陥が生成されます。

ショットキー欠陥は、材料を構成する陽イオンと陰イオンのサイズにわずかな差がある場合に最も頻繁に観察されます。

TiO ₂およびBaTiO ₃におけるショットキー欠陥の形成に関するKröger–Vink 表記法による化学式。

∅ ⇌ ヴ^{⁠ ⁠${\displaystyle \prime \prime \prime \prime }$}
_ティ + 2ボルト^••
_お

∅ ⇌ ヴ^{⁠ ⁠${\displaystyle \prime \prime }$}
_バ + 上^{⁠ ⁠${\displaystyle \prime \prime \prime \prime }$}
_ティ + 3ボルト^••
_お

これは、塩化ナトリウム結晶格子 の 2 次元図で模式的に表すことができます。

ショットキー欠陥を構成する空孔は反対の電荷を持っているため、相互に引き合うクーロン力を受けます。低温では、それらは束縛されたクラスターを形成することがあります。ショットキー欠陥が格子に及ぼす影響の度合いは温度に依存し、陽イオン空孔の周囲では温度が高くなると、複数の陰イオン空孔も観察されます。陰イオン空孔が陽イオン空孔の近くに位置している場合、陽イオンエネルギーの変位が妨げられます。

結合したクラスターは、通常、希薄なクラスターよりも移動性が低く、クラスター全体が移動するには複数の種が協調して動く必要がある。これは、イオン伝導体、固体酸化物燃料電池、核燃料など、幅広い用途で使用される多数の機能性セラミックスにとって重要な意味を持つ。^[1]

このタイプの欠陥は、高イオン性化合物、高配位化合物、および化合物格子を構成する陽イオンと陰イオンのサイズにわずかな差しかない場合に典型的に観察されます。ショットキー無秩序が観察される典型的な塩は、NaCl、KCl、KBr、CsCl、AgBrです。^{[引用が必要]エンジニアリング用途では、ショットキー欠陥は、} CeO ₂、立方晶ZrO ₂、UO ₂、ThO ₂、PuO ₂などの蛍石構造の酸化物で重要です。^{[引用が必要]}

通常、空孔の形成体積は正です。つまり、欠陥の周囲のひずみによる格子収縮は、追加のサイト数による結晶の膨張を補うことはできません。したがって、固体結晶の密度は、材料の理論密度よりも低くなります。

ウィキメディア・コモンズには、ショットキー欠陥に関連するメディアがあります。

• フレンケル欠陥
• ウィグナー効果
• 結晶学的欠陥

• キッテル、チャールズ (2005)。固体物理学入門(第 8 版)。Wiley。pp. 585–588。ISBN 978-0-471-41526-8。
• Kovalenko, MA、A. Ya Kupryazhkin。「二酸化ウランおよびその他の蛍石型結晶のショットキー欠陥の状態：分子動力学研究」Journal of Alloys and Compounds、vol. 645、no. 0925-8388、2015年10月1日、pp. 405–413、https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2015.05.111。2024年4月30日にアクセス。