Materialwissenschaften

Gitterfehler

Du kannst dir nichts unter einem Gitterfehler in einem Kristall vorstellen? Dann erklären wir dir hier was  null-, ein-, zwei- und dreidimensionalen Gitterfehler sind und wo man sie findet.

Nulldimensionale Gitterfehler und Diffusion- Punktdefekte im Kristallgitter

Kristalle sind nur in der Theorie perfekt: Tatsächlich haben Kristalle keine fehlerfreien Gitterstrukturen. Diese sogenannten Gitterfehler oder Defekte lassen sich über die Umgebung definieren. Ist die Umgebung eines Atoms A anders als die Umgebung eines Referenzatoms B, liegt ein Defekt vor. Stell dir dafür ein voll besetztes Gitter vor. Das Atom B aus dem Inneren hat eine andere Umgebung als das Atom A am äußeren Rand der Struktur. Damit kannst du dir die Oberfläche eines Kristalls als Defekt vorstellen.

 

Punktedefekte bzw. nulldimensionale Gitterfehler

Nulldimensionale Gitterfehler kann man in intrinsische und extrinsische Defekte unterteilen.

1.Intrinsische Defekte entstehen im Kristall selbst. Am häufigsten kommt die sogenannte Leerstelle vor. Wie du dir bestimmt schon gedacht hast, meint dieser Gitterfehler eine unbesetzte Stelle im Gitter.

Als Kennzahl wird häufig die Leerstellenkonzentration angegeben. Diese ist definiert als der Quotient der Leerstellen „klein n“ und der Gesamtzahl der Atome „Groß N“ im Kristall:

nulldimensionale Gitterfehler intrinsische Defekte
Intrinsische Gitterfehler

 

Ein weiteres Beispiel für Punktdefekte ist das Eigenzwischengitteratom. Diesen Gitterfehler kannst du dir als ein zusätzliches Atom zwischen besetzten Gitterplätzen vorstellen.

  1. Extrinsische Gitterfehler entstehen durch fremde Atomsorten. Diese Fremdatome können zum Beispiel einen Zwischengitterplatz besetzen. Man nennt sie dann interstitielle Fremdatome.
nulldimensionale Gitterfehler extrinsische defekte
extrinsische Gitterfehler

Die andere Möglichkeit ist, das ein Fremdatom ein reguläres Atom ersetzt (substitutionelles Fremdatom).

Diffusion

Du kannst dir diese als Bewegung von Atomen in Kristallen vorstellen. Um sie zu verstehen, musst du dir die Temperaturabhängigkeit von Kristallen in Erinnerung rufen. Je höher die Temperatur ist, desto stärker beginnen die Atome zu schwingen. Wir unterteilen dabei in zwei verschiedene Diffusionsmechanismen:

Zum einen gibt es die Diffusion von Leerstellen und zum anderen die Diffusion von Zwischengitterplätzen.

  1. Diffusion von Leerstellen : Sie können durch den Platzwechsel mit Gitteratomen wandern. Stellen wir uns dafür eine Kristallstruktur aus Silizium vor, in die Phosphor eindringen soll.

Dies gelingt natürlich erst, wenn eine Leerstelle in die Nähe der Oberfläche diffundiert.

So können die Atome ins Innere des Kristalls wandern und werden erst weiterbewegt, wenn sich wieder eine Leerstelle in der Nähe zeigt. Wie du dir bestimmt schon gedacht hast, kommt das bei höherer Temperatur öfter vor.

Diffusion Gitterfehler
Diffusion von Leerstellen

 

  1. Diffusion von Zwischengitterplätzen (interstitiell): Diese Diffusion kann nur stattfinden, wenn Atome beginnen zu schwingen. So entsteht genügend Platz zwischen den Gitteratomen und die Fremdatome können wandern.
Diffusion Gitterfehler
Diffusion von Zwischengitteratomen

MERKE: Bei höheren Temperaturen schwingen die Teilchen stärker. Die Diffusion läuft also mit steigender Temperatur schneller ab.

 

Eindimensionale Gitterfehler – Versetzungen

Neben den nulldimensionalen Defekten gibt es auch eindimensionale Gitterfehler, sogenannte Versetzungen. Du kannst dir diese Gitterfehler entlang einer Linie vorstellen. Versetzungen sind für die Industrie enorm wichtig, da sie für alle plastischen Verformungen von Materialen aus Kristallen verantwortlich sind.

Stufenversetzung

Als Erstes wollen wir uns die Stufenversetzung ansehen. Diese betrachten wir nun im kubisch primitiven Gitter. Wir definieren uns einen bestimmten Bereich über den sogenannten Burgers-Umlauf. Um die Scherung, und somit auch die Versetzung zu erzeugen, legen wir eine Schubspannung tau an. Wenn du nicht mehr weißt, was die Schubspannung ist, dann schau dir nochmal unser Video dazu an.

Burgersumlauf Schubspannung
Burgersumlauf und Schubspannung

Durch diese Schubspannung gleitet ein Teil des Kristalls ab. Dies kannst du dir als eingeschobene Halbebene vorstellen. Wie du vielleicht schon erkannt hast, ist unser Umlauf nun kleiner geworden. Die Verbindung unten umfasst nun statt fünf, vier Atome. So können wir sagen, dass sich der Umlauf genau um eine Atomabstandslänge verkürzt hat. Genau diese Länge ist jetzt unser Burgersvektor b. Er gibt uns also die Länge und die Stärke der Versetzung an.

Gitterfehler Stufenversetzung
Stufenversetzung

Danach müssen wir im defekten Kristall noch die Versetzungslinie, auch Versetzungsvektor genannt, einzeichnen. Um diese Linie baut sich das Spannungsfeld der Versetzung auf. Diese ist übrigens das Ende der Halbebene. Außerdem musst du dir noch merken, dass bei Stufenversetzungen der Burgers-Vektor immer senkrecht zum Versetzungsvektor steht.  Diese beiden Vektoren spannen eine Gleitebene auf, in der du den Fortschritt der Gleitbewegung beobachten kannst.

In unserem Beispiel rückt die Versetzung eine Stufe nach rechts:

Gitterfehler Stufenversetzung
Stufenversetzung nach rechts

Am Ende der Gleitbewegung hat die Versetzung den Kristall verlassen. Wie du siehst, ist rechts eine Stufe entstanden. Das ist auch der Grund für den Namen Stufenversetzung.

Somit haben wir die ursprüngliche Ordnung des Gitters erhalten und die Versetzung ist abgeschlossen.

Schraubenversetzung

Kommen wir nun zum anderen eindimensionalen Gitterfehler, der Schraubenversetzung. Hier verläuft der Burgers-Vektor parallel zur Versetzungslinie.

Gitterfehler Schraubenversetzung
Schraubenversetzung

Gemischte Versetzungen und plastische Verformung

Schraubenversetzungen und auch Stufenversetzungen sind extreme Versetzungsarten. In der Realität findet man Mischungen der beiden Gitterfehler. Man nennt diese „gemischte Versetzungen“. Doch was hat das alles mit der plastischen Verformung zu tun? Durch das Abgleiten der Versetzung über die Gleitebene kann sich die Struktur des Metalls verschieben. Es findet also eine Verformung statt. Spröde Metalle haben sehr hohe Festigkeiten, da weniger starke Versetzungen stattfinden. Bei Belastung entstehen so Risse oder sogar Brüche. Versetzungen haben also einen entscheidenden Einfluss auf die Eigenschaften von Metallen!

plastische Verformung Gitterfehler
Plastische Verformung

 

Zweidimensionale Gitterfehler 

Nachdem wir die null- und eindimensionalen Gitterfehler besprochen haben, geht es jetzt mit den Flächendefekten , wie zum Beispiel Korngrenzen, weiter. Denn wie du weißt lässt sich eine Fläche mit zwei Dimensionen aufspannen.

Zur Erinnerung: Ein Defekt liegt vor, wenn die Umgebung eines Atoms A anders als die Umgebung eines Referenzatoms B ist.

Phasengrenzen, Korngrenzen und Stapelfehler

Du kannst dabei in drei verschiedene Arten von Flächendefekten unterscheiden: Phasengrenzen, Korngrenzen und Stapelfehler.

 

  • Phasengrenzen treten zwischen verschiedenen Phasen auf. Doch was versteht man wieder unter einer Phase? Darunter kannst du dir unterschiedliche Anordnungen desselben Materials vorstellen. Wichtig dabei ist, dass sie in der Anordnung klar unterscheidbar sind, aber die gleiche chemische Zusammensetzung haben. Betrachten wir zur Verdeutlichung Silizium. Es kommt in kristalliner und amorpher Form vor. Alle Grenzen zwischen diesen beiden Formen können somit als Phasengrenzen verstanden werden, da wir zwei unterschiedliche Anordnungen betrachten.
Phasengrenzen Gitterfehler
Phasengrenzen
  • Korngrenzen

Treten Phasengrenzen zwischen Kristallen identischer Struktur, aber verschiedener Orientierung auf, bezeichnen wir diese als Korngrenzen. Korngrenzen treten in allen natürlichen Polykristallen auf. Darunter versteht man Kristalle, die aus vielen kleinen Einzelkristallen mit unterschiedlicher Orientierung bestehen. Im Gegensatz dazu haben Einkristalle, also Monokristalle, keine Korngrenzen. Sie besitzen also ein einheitliches, homogenes Kristallgitter. In der Natur kommen Korngrenzen beispielsweise in Diamanten vor, technisch macht man sich Einkristalle bei der Herstellung von Microchips oder Solarzellen zunutze.

Korngrenzen Gitterfehler
Korngrenzen
  • Stapelfehler

Um diesen Fehler zu verstehen, musst du dir den Kristall als verschieden geschichtete Ebenen vorstellen. Diese Ebenen bestehen aus vielen Atomen, die sich so dicht wie möglich aneinanderreihen. Das nennt man dann die „dichteste Kugelpackung“.

Zur Vereinfachung nennen wir die erste Ebene A-Ebene. Die zweite Ebene würde sich in die Lücken der ersten Ebene legen, um sie zu schließen und die Dichte zu erhöhen. Wir bezeichnen diese als B-Ebene.

Du erkennst sicher schon, dass du für die nächste Ebene zwei Möglichkeiten hast. Du kannst sie auf genau die gleichen Stellen der A-Ebene legen (damit erzeugst du eine neue A-Ebene) oder aber du entscheidest dich für eine neue Ebene, die auf keiner der beiden vorhandenen Ebenen liegt (dies führt zu einer C-Ebene).

Bleiben wir einmal bei der zweiten Möglichkeit. Stapeln wir nun konsistent weiter in diesem Muster, erhalten wir die Stapelfolge ABC. Wie auch bei den Kristallgittern, wird dieses Muster immer wieder wiederholt. Es entsteht die Anordnung ABCABCABC und so weiter. Das entspricht dann genau dem fcc-Gitter.

Tritt nun entlang einer Grenzfläche zweier Kristalle eine Struktur auf, die vom ABC-Muster abweicht, spricht man von einem Stapelfehler.

Man unterscheidet dabei zwischen intrinsischen und extrinsischen Stapelfehlern. Bei intrinsischen Stapelfehlern fehlt eine Ebene. In unserem Fall ist es die blaue C Ebene. Bei extrinsischen Fehlern hat das Gitter eine Ebene zu viel. Hier wurde eine zusätzliche gelbe A Ebene hinzugefügt.

Stapelfehler Gitterfehler
Stapelfehler

Stapelfehler kommen, genauso wie Korngrenzen, in der Natur vor.  Wie du dir vorstellen kannst, macht man sie sich aber auch in technischen Anwendungen zunutze.

 

Dreidimensionale Gitterfehler – Volumendefekte

Zum Schluss schauen wir uns die dreidimensionalen Gitterfehler an. Da aus drei Dimensionen ein Volumen aufgespannt werden kann, nennt man diese auch Volumendefekte. Du musst dir also räumliche Gitterfehler innerhalb eines Kristalls vorstellen. Aber keine Sorge, wir erklären dir alles Schritt für Schritt. Zuerst solltest du wissen, dass es zwei Arten von Volumendefekten gibt: Hohlräume und Ausscheidungen.

Hohlräume

Beginnen wir mit den Hohlräumen. Lass dich nicht irritieren, wenn du für diese den Begriff „void“ ließt. Das ist eine gängige Bezeichnung der dreidimensionalen Gitterfehler, da Hohlräume leicht mit Löchern verwechselt werden können. Den Begriff „Löcher“ verwenden wir aber eher für fehlende Elektronen in Halbeitern. Doch was versteht man jetzt genau unter einem „void“ oder Hohlraum?

gitterfehler volumendefekt
Hohlräume/voids am Beispiel Silicium

Stell dir dafür noch einmal Punktfehler vor, also Fehler an einer Stelle innerhalb des Gitters. Weiten wir diesen Defekt nun in alle drei Dimensionen aus, haben wir auch schon einen Hohlraum. Es handelt sich also, wenn man so will, um einen sehr großen Punktdefekt. Dieser ist in der Regel mit einem Vakuum gefüllt. Es kann aber auch sein, dass ein Gas eingeschlossen ist. Der Hohlraum kann theoretisch beliebige Formen annehmen, passt sich aber oft der Kristallstruktur an. So kann es beispielsweise sein, dass sich im oktaedrischen Kristall auch oktaedrische Hohlräume befinden.

Ausscheidungen

Jetzt, wo du dich mit Hohlräumen auskennst, können wir uns den Ausscheidungen zuwenden. Um diese zu verstehen, musst du die Hohlräume einfach mit einem Festkörper füllen. Selbstverständlich kann es sich dabei nicht um die gleiche Struktur des eigentlichen Kristalls handeln. Wir benötigen also, wie bei den Phasengrenzen auch, eine sich unterscheidende Phase. Doch wie entstehen diese Ausscheidungen nun wieder?

Gitterfehler Volumendefekt Ausscheidung
Ausscheidungen

Erhitzt du einen Werkstoff sehr stark, beginnt sich die feste Struktur zu lösen oder sogar zu brechen. Beim Abkühlen der Schmelze können sich Teile der Struktur dann neu anordnen oder verschieben. So können Ansammlungen von Fremdatomen oder anderen Phasen entstehen. Du siehst, dass die Grenzen zwischen den verschiedenen Defekten fließend sind. Ein Punktdefekt wird über Diffusion schnell zum Volumendefekt. Ist der Volumendefekt sehr dünn, kann es sich wiederum um einen Flächendefekt handeln.

 

Zusammenfassung der Gitterfehler

Gitterfehler
Gitterfehler

So, zum Abschluss zeigen wir dir jetzt noch einmal die wichtigsten Gitterfehler:

  • Nulldimensionale Gitterfehler/ Punktdefekte: Leerstellen, Eigenzwischengitteratome, Fremdatome auf Zwischen-gitterplätzen und substituierte Fremdatome.
  • Eindimensionale Gitterfehler/Versetzungen: Hier gibt es Stufenversetzungen und Schraubenversetzungen. Beide entstehen durch Krafteinwirkung und sind verantwortlich für das elastische Verhalten von Werkstoffen.
  • Zweidimensionale Gitterfehler/ Flächendefekte: Hier gilt es an die verschiedenen Phasen zu denken. Daraus entstehen Phasengrenzen. Bei gleicher Phase, aber verschiedener Anordnung spricht man von Korngrenzen. Stapelfehler sind Fehler in der Reihenfolge der Atomebenen.
  • Dreidimensionale Gitterfehler/ Volumendefekte: Diese Gitterfehler unterteilt man in Hohlräumen und gefüllten Hohlräumen. Man nennt diese dann Ausscheidungen.

Jetzt ist das Thema Gitterfehler abgehakt! Eigentlich doch ganz einfach, oder?

 

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