Bacharelado em Ciências e Tecnologia

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Universidade Federal Rural do Semi-Árido

Campus Pau dos Ferros

Bacharelado em Ciências e Tecnologia

Disciplina: Química aplicada à engenharia

Docente: Sanderlir Dias

Defeitos e imperfeições em cristais e técnica de raios-x

Suyanne Kananda Brito Almeida

Pau dos Ferros

Março– 2018

INTRODUÇÃO

        O intuito deste trabalho é fazer uma pesquisa bibliográfica e discorrer sobre o tema “Defeitos e imperfeições em cristais e técnica de raios-x. Sabendo que uma estrutura cristalina “é um material no qual os átomos estão posicionados em um arranjo periódico ou repetitivo ao longo de grandes distâncias atômicas.” (CALLISTER; RETHWISCH, 2013). Os defeitos em cristais são imperfeições no arranjo regular periódico de um átomo, ou seja, um tipo de erro presente na periodicidade de um átomo, apresentando irregularidades tanto na posição quanto no tipo de átomo. Esses defeitos podem ser: pontuais, lineares e de superfície. Caracterizam-se também em intrínsecos e extrínsecos. As imperfeições são classificadas de acordo com sua geometria e forma.

        As técnicas de raios-x são usadas para determinar uma estrutura cristalina, a mais usada é a técnica de raio-x por comprimento de onda ou dispersão de energia, espectroscopia de elétrons Auger e microssonda iônica, assim, é possível calcular o tamanho, quantidade, morfologia, distribuição das fases e defeitos das estruturas cristalinas.

DEFEITOS E IMPERFEIÇÕES EM CRISTAIS E TÉCNICA DE RAIOS-X:

        Sabendo que nenhuma estrutura cristalina real é perfeita, haja visto que possui vários tipos de defeitos e imperfeições, estes, podendo ser de origem física (intrínsecos) ou mecânica (extrínsecos), fazendo com que suas propriedades sejam alteradas de acordo com a plasticidade das ligas, condutividade eletrônica dos semicondutores (havendo presença de impurezas), velocidade de migração dos átomos, cor e brilho dos cristais (muitos devido as impurezas e imperfeições), como por exemplo a corrosão dos metais. As imperfeições fazem com que novos materiais possam ser criados, a partir de uma combinação desejada de propriedades.

 Os defeitos podem causar mudanças significativas na propriedade de um material, mesmo que este possua pequena concentração. Pode-se elencar alguns casos que incidem quando não a presença de defeito:

• Cor e brilho não estariam presentes em cristais;
• Maior resistência dos metais;
• Inexistência de dispositivos eletrônicos em estado sólido;
• Os cerâmicos seriam mais persistentes;

Diante do exposto, temos que os defeitos são de extrema importância para uma rede cristalina, sendo eficaz para fundamentais processos para utilização de materiais na Engenharia.

Para que os defeitos sejam formados, é necessário que se tenha energia, normalmente essa energia apresenta-se na forma térmica, com isso, quanto maior for a temperatura, maior será a concentração de defeito.

O cálculo da concentração de defeito é dado pela seguinte fórmula:

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• CD = Concentração de defeitos;
• QD = Energia de ativação do defeito;
• K = Constante de Boltzmann = 1,38x1023J/at.K ou 8,62x10-5 eV/ at.K;
• T = Temperatura em kelvin;

Os defeitos são classificados em: defeitos pontuais, defeitos lineares e defeitos de superfície.

DEFEITOS PONTUAIS:

Os defeitos pontuais são caracterizados por irregularidades somente em alguns átomos, o mais comum deles é o de espaços vazios, ou seja, ausência de um átomo em um metal. Esse tipo de defeito pode resultar em um empacotamento imperfeito durante o processo de cristalização original e até mesmo resultar de perturbações durante o processo de crescimento dos cristais, como vibrações, altas temperaturas (o aumento da temperatura faz com que os átomos individuais sejam afastados da sua posição de menor energia, deixando um vazio em seu lugar, esse vazio é denominado de Vacância, porém, uma rede cristalina possui outros espaços vazios entre os átomos, na qual, os átomos possam se alojar, esses espaços são chamados de interstícios. É válido salientar que a rede cristalina sempre vai apresentar impurezas.

Cálculo do número de vacância (vazios):

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• Nv = número de vacâncias;
• N = número total de sítios atômicos;
• Qv = energia requerida para formação de vacâncias;
• K = constante de Boltzman = 1,38x1023J/at.K ou 8,62x10-5 eV/ at.K;
• T = Temperatura em kelvin;

Esse tipo de defeito pontual possui mais três subdivisões: Átomos Intersticiais, Schottky e Frenkel, os dois últimos ocorrem em sólidos iônicos. Defeito dos Átomos Intersticiais são imperfeições que produzem distorção no reticulado, uma vez que, o átomo intersticial seja menor que o restante dos átomos do cristal, dessa forma, pode ocorrer que um átomo extra se aloje na estrutura cristalina. A formação desse defeito implica na formação de uma vacância, então, é menos provável que aconteça do que uma vacância. O defeito de Schottky está sobretudo ligado aos espaços vazios, porém, são encontrados através do balanceamento de cargas, dessa forma, envolve um ânion ou um cátion, facilitando a difusão atômica, os espaços vazios também desempenham essa função. Os defeitos de Frenkel ocorrem em sólidos iônicos a partir do deslocamento da posição normal de um íon para um interstício. O empacotamento fechado de uma estrutura apresenta menor número de defeitos intersticiais e de Frenkel do que de vazios e defeitos Schottky, já que estes necessitam de energia adicional, forçando assim o deslocamento de átomos para novas posições.

DEFEITOS LINEARES:

         Defeitos lineares são imperfeições da rede cristalina que ocorrem ao longo de uma linha, o tipo mais comum é uma discordância. As discordâncias deformam a rede e criam tensões locais compressivas e trativas, elas são classificadas em: discordância de cunha, hélice e mista (combinação das duas anteriores). A discordância de cunha é compreendida como a aresta de uma estrutura em um plano extra, acompanhadas por compressão e tração, possibilitando o aumento de energia ao longo da mesma. A distância ocasionada a partir do deslocamento de um átomo é chamada de vetor de Burgers, perpendicular à linha de discordância em cunha. A discordância de hélice, também chamada helicoidal possui deslocamento (vetor de Burgers) paralelo ao seu defeito, produz distorções na rede e tensões de cisalhamento associadas aos átomos adjacentes, apresenta também aumento de energia.