Défaut interstitiel

En science des matériaux , un défaut interstitiel est un type de défaut cristallographique ponctuel dans lequel un atome de même type ou d'un type différent occupe un site interstitiel dans la structure cristalline . Lorsque l'atome est du même type que ceux déjà présents, on parle de défaut auto-interstitiel . Alternativement, de petits atomes dans certains cristaux peuvent occuper des sites interstitiels, comme l'hydrogène dans le palladium . Les interstitiels peuvent être produits en bombardant un cristal avec des particules élémentaires ayant une énergie supérieure au seuil de déplacement de ce cristal, mais ils peuvent également exister en petites concentrations en équilibre thermodynamique . La présence de défauts interstitiels peut modifier les propriétés physiques et chimiques d'un matériau.

L'idée des composés interstitiels a été lancée à la fin des années 1930 et ils sont souvent appelés phases de Hagg d'après Hägg. Les métaux de transition cristallisent généralement dans des structures hexagonales compactes ou cubiques à faces centrées , qui peuvent toutes deux être considérées comme constituées de couches d'atomes hexagonalement compacts. Dans ces deux réseaux très similaires, il existe deux types d'interstices, ou de trous :

• Deux trous tétraédriques par atome métallique, c'est-à-dire que le trou est entre quatre atomes métalliques
• Un trou octaédrique par atome métallique, c'est-à-dire que le trou est entre six atomes métalliques

Les premiers chercheurs ont suggéré que :

• le réseau métallique était relativement peu affecté par l'atome interstitiel
• la conductivité électrique était comparable à celle du métal pur
• il y avait une gamme de composition
• le type d'interstice occupé était déterminé par la taille de l'atome

Ceux-ci n’étaient pas considérés comme des composés, mais plutôt comme des solutions, par exemple de carbone, dans le réseau métallique, avec une « concentration » supérieure limite du plus petit atome qui était déterminée par le nombre d’interstices disponibles.

Une connaissance plus détaillée des structures des métaux, des phases binaires et ternaires des métaux et des non-métaux montre que :

• généralement à de faibles concentrations du petit atome, la phase peut être décrite comme une solution, ce qui se rapproche de la description historique d'un composé interstitiel ci-dessus.
• à des concentrations plus élevées du petit atome, des phases avec des structures de réseau différentes peuvent être présentes, et celles-ci peuvent avoir une gamme de stoechiométries .

Un exemple est la solubilité du carbone dans le fer. La forme de fer pur stable entre 910 °C et 1390 °C, le fer γ, forme avec le carbone une solution solide appelée austénite , également connue sous le nom d'acier .

Les défauts auto-interstitiels sont des défauts interstitiels qui contiennent uniquement des atomes identiques à ceux déjà présents dans le réseau.

La structure des défauts interstitiels a été déterminée expérimentalement dans certains métaux et semi-conducteurs .

Contrairement à ce que l'on pourrait intuitivement attendre, la plupart des auto-interstitiels dans les métaux avec une structure connue ont une structure « divisée », dans laquelle deux atomes partagent le même site de réseau. En général, le centre de masse des deux atomes est au site de réseau, et ils sont déplacés symétriquement de celui-ci le long de l'une des principales directions du réseau . Par exemple, dans plusieurs métaux cubiques à faces centrées (fcc) courants tels que le cuivre, le nickel et le platine, la structure de l'état fondamental de l'auto-interstitiel est la structure interstitielle divisée [100], où deux atomes sont déplacés dans une direction positive et négative [100] à partir du site de réseau. Dans le fer cubique à corps centré (bcc), la structure interstitielle de l'état fondamental est également une [110] structure interstitielle divisée.

Ces interstitiels divisés sont souvent appelés interstitiels en haltères, car le tracé des deux atomes formant l'interstitiel avec deux grandes sphères et une ligne épaisse les joignant fait ressembler la structure à un appareil d'haltérophilie .

Dans d'autres métaux bcc que le fer, on pense, sur la base de calculs récents de la théorie fonctionnelle de la densité, que la structure de l'état fondamental est l'interstitiel de crowdion [111], qui peut être compris comme une longue chaîne (généralement environ 10–20) d'atomes le long de la direction du réseau [111], comprimée par rapport au réseau parfait de telle sorte que la chaîne contienne un atome supplémentaire.

Dans les semi-conducteurs, la situation est plus complexe, car les défauts peuvent être chargés et différents états de charge peuvent avoir des structures différentes. Par exemple, dans le silicium, l'interstitiel peut avoir soit une structure divisée [110], soit une structure tétraédrique véritablement interstitielle

Le carbone, notamment dans le graphite et le diamant, possède un certain nombre d'auto-interstitiels intéressants - récemment découverts à l'aide de calculs d'approximation de densité locale - il s'agit du « spiro-interestitiel » dans le graphite, nommé d'après le spiropentane , car l'atome de carbone interstitiel est situé entre deux plans basaux et lié dans une géométrie similaire au spiropentane.

Les petits atomes interstitiels impurs se trouvent généralement sur de véritables sites interstitiels entre les atomes du réseau. Les grands atomes interstitiels impurs peuvent également se trouver dans des configurations interstitielles séparées avec un atome du réseau, similaires à celles de l'atome auto-interstitiel.

Les interstitiels modifient les propriétés physiques et chimiques des matériaux.

• Les atomes de carbone interstitiels jouent un rôle crucial pour les propriétés et le traitement des aciers, en particulier des aciers au carbone .
• Les interstitiels d'impuretés peuvent être utilisés par exemple pour le stockage de l'hydrogène dans les métaux.
• Le réseau cristallin peut s'étendre avec la concentration d'impuretés interstitielles
• L'amorphisation des semi-conducteurs tels que le silicium lors de l'irradiation ionique s'explique souvent par l'accumulation d'une forte concentration d'interstitiels conduisant finalement à l'effondrement du réseau lorsqu'il devient instable.
• La formation de grandes quantités d'interstitiels dans un solide peut conduire à une accumulation d'énergie importante, qui, une fois libérée, peut même conduire à des accidents graves dans certains anciens types de réacteurs nucléaires ( effet Wigner ). Les états à haute énergie peuvent être libérés par recuit .
• Au moins dans le réseau fcc, les interstitiels ont un effet adoucissant diaélastique important sur le matériau.
• Il a été proposé que les interstitiels soient liés au début de la fusion et à la transition vitreuse .