空室欠陥

結晶学において、空孔は結晶内の点欠陥の一種であり、格子位置の1つから原子が欠落している状態を指します。 ^{[2]結晶は本質的に欠陥を持ち、}結晶学的欠陥と呼ばれることもあります。

空孔はすべての結晶性物質に自然に発生する。物質の融点までの任意の温度において、平衡濃度（空格子点と原子を含む格子点の比率）が存在する。^[2]一部の金属の融点では、この比率はおよそ1:1000になることがある。^[3]この温度依存性は次のようにモデル化できる。

${\displaystyle N_{\rm {v}}=N\exp \left({\frac {-Q_{\rm {v}}}{k_{\rm {B}}T}}\right)}$

ここで、N _vは空孔濃度、Q _vは空孔形成に必要なエネルギー、k _Bはボルツマン定数、Tは絶対温度、Nは原子サイトの濃度、すなわち

${\displaystyle N={\frac {\rho N_{\rm {A}}}{M}}}$

ここでρは密度、N _{A は}アボガドロ定数、M はモル質量です。

これは最も単純な点欠陥です。このシステムでは、原子が通常の原子位置から欠落しています。空孔は、原子の振動、原子の局所的な再配置、塑性変形、イオン衝撃により凝固中に形成されます。

空孔の生成は、結晶内の原子とそれに最も近い隣接原子との間の結合を切断するために必要なエネルギーを考慮することで簡単にモデル化できます。その原子が格子サイトから除去されると、結晶の表面に戻され、表面上の他の原子との新しい結合が確立されるため、いくらかのエネルギーが回収されます。ただし、表面原子間の結合は結晶内部の原子間の結合よりも少ないため、エネルギーの正味の入力があります。

ほとんどの用途では、空孔欠陥は材料の本来の目的とは無関係です。なぜなら、空孔欠陥は少なすぎるか、多次元空間全体に散らばっているため、力や電荷が空孔の周りを移動できるからです。しかし、カーボンナノチューブのようなより制約のある構造の場合、空孔やその他の結晶欠陥は材料を著しく弱める可能性があります。^[4]

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