Techniklexikon

Eigenfehlstellen

Festkörperphysik, Eigenfehlordnungen, nulldimensionale Gitterfehlstellen, die in einem Idealkristall bei tiefen Temperaturen durch Temperaturerhöhung entstehen. Ihre Anwesenheit in realen Kristallen entspricht der Tatsache, dass der Idealkristall bei jeder vom absoluten Nullpunkt verschiedenen Temperatur nicht den thermodynamisch günstigsten Zustand darstellt. Eigenfehlstellen sind einzelne Leerstellen, Zwischengitteratome oder Ansammlungen davon.

Zur Erzeugung von Eigenfehlstellen muss eine Bildungsenergie aufgewendet werden, die für Leerstellen etwa 1-2 eV beträgt und gleich der Bindungsenergie eines Gitterbausteins ist. Die Bildungsenergie der Zwischengitteratome ist meist um den Faktor zwei bis vier grösser, da das Gitter in der Umgebung der zusätzlichen Atome aus Raumgründen stark komprimiert werden muss.

Je nachdem, ob sich in Kristallen bei konstanter Temperatur Gleichgewichtskonzentrationen der Eigenfehlstellen bilden oder nicht, spricht man von Gleichgewichtsfehlordnung oder von nicht im thermischen Gleichgewicht befindlichen Eigenfehlstellen.

Man unterscheidet mehrere Arten von Gleichgewichtsfehlordnungen (thermische Fehlordnungen). Die Schottky-Fehlordnung (Schottky-Defekten) entsteht durch Wanderung von Kristallbausteinen aus dem Inneren des Kristalls an die Oberfläche, an eine innere Grenzfläche oder an eine Versetzung und besteht deshalb nur aus Leerstellen. Die Anti-Schottky-Fehlordnung bildet sich durch Wanderung von Kristallbausteinen von der Oberfläche in das Kristallinnere, sie besteht also aus Zwischengitteratomen. Die Frenkel-Fehlordnung entsteht, wenn Kristallbausteine ihren Gitterplatz verlassen und sich auf Zwischengitterplätze begeben. Sie setzt sich deshalb aus einer gleichen Anzahl von Leerstellen und Zwischengitteratomen zusammen. In Verbindungskristallen können sich in den einzelnen Teilgittern unterschiedliche Fehlordnungen mit unterschiedlichen Fehlstellenkonzentrationen ausbilden. In lonenkristallen muss jedoch die Ladungsneutralität der Kristalle gewahrt bleiben.

Eigenfehlstellen beeinflussen eine Reihe strukturempfindlicher Kristalleigenschaften, z.B. die Dichte, die spezifische Wärme sowie die optischen und mechanischen Eigenschaften. Bestimmte Transportphänomene in Festkörpern, z.B. die Diffusion und die Ionenleitfähigkeit, werden durch das Vorhandensein von Eigenfehlstellen überhaupt erst ermöglicht. Die experimentelle Bestimmung der Eigenschaften der Eigenfehlstellen erfolgt durch Messung der von ihnen beeinflussten Grössen, besonders durch die Untersuchung der Transportprozesse, bei Assoziaten wegen des meist vorhandenen Dipolcharakters auch der elektrischen und der mechanischen Relaxation. Viele Informationen erhält man auch aus Ausheilungsuntersuchungen bei konstanter Temperatur (isotherme Ausheilung), bei unterschiedlichen Temperaturen mit konstanten Temperzeiten (isochrone Ausheilung) oder mit einer Kombination beider Methoden.