점결함(point defects)의 종류

결정성 고체 또는 결정 (crystalline solid)에서 점 결함(point defects)이란?

점 결함은 결정성 고체의 격자 구조의 결함입니다. 이러한 결함은 국부적이며, 즉 결정의 특정 지점에서 발생하며 전체 구조로 반복되며 확장하지 않습니다.

 

점 결함의 종류

공공(vacancy), 침입형(interstitial) 및 치환형 (substitutional) 결함 등 여러 가지 유형의 점 결점이 있습니다. 공공은 원자가 격자 부위에서 빠져 결정 격자에 구멍이나 빈 자리를 남길 때 발생합니다. 반면에, 침입형 결함은 정상적인 격자 부위 사이의 위치에 여분의 원자가 격자에 존재할 때 발생합니다. 치환형 결함은 결정 격자에서 다른 종류의 원자가 원래의 원자 격자 자리를 대체할 때 발생합니다.

침입형과 치환형 결함 [1]

점 결함의 영향

점 결점은 재료의 특성에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다. 예를 들어, 빈 공간이 있으면 재료의 전기 전도도가 증가할 수 있는 반면, 침입형 결함 있으면 재료가 더 단단해지고 부서지기 쉬워지는 경향을 보이게 됩니다. 치환형 결함은 반응성 또는 내식성과 같은 물질의 화학적 특성을 변경할 수 있습니다.

공공과 침입형 결함 [1]

 

점결함의 활용 방법

점결함은 도핑과 같은 방법을 통해 의도적으로 재료에 도입될 수 있습니다. 반도체 재료나 원자로 재료와 같은 특정 용도에 맞게 재료의 특성을 조정하는 데 사용될 수 있습니다.

 

프렌켈(Frenkel) 및 쇼트키(Schottky) 결함(defects)

프렌켈 결함은 결정 격자의 원자 또는 이온이 원래 격자 위치에서 틈새 위치로 이동할 때 발생합니다. 이러한 유형의 결함은 양이온이 음이온보다 훨씬 작은 이온 결정에서 일반적입니다. 작은 양이온은 큰 음이온 사이의 틈새 부위에 들어갈 수 있기 때문에, 양이온은 크기 차이로 인한 국부적인 변형을 완화하기 위해 틈새 위치로 이동할 수 있습니다. 이로 인해 원래 양이온 부위에 빈 공간이 생기고 침입형 결함이 생깁니다.

쇼트키 결함은 이온 결정에서 양이온과 음이온의 빈 공간이 생성될 때 발생합니다. 빈 공간은 결정의 전하 중성을 유지하기 위해 동일한 양으로 생성됩니다. 이러한 유형의 결함은 양이온과 음이온이 유사한 크기를 갖는 이온 결정에서 일반적입니다. 쇼트키 결함이 생성되면 결정의 밀도가 감소하고 전기 전도도가 감소합니다.

Frenkel and Schottky defects in a crystalline solid [1]

 

동일한 결정 격자에서 프렌켈 결함과 쇼트키 결함이 동시에 발생할 수 있습니다. 이러한 점 결함은 전기 전도도, 광학 특성 및 기계적 특성을 포함하여 결정의 특성에 영향을 미칠 수 있습니다.

 

참고

[1] Brian S. Mitchell, AN INTRODUCTION TO MATERIALS ENGINEERING AND SCIENCE