Techniklexikon

Kristalldefekte

Kristallbaufehler, Gitterfehler, alle strukturellen Abweichungen von der idealen, regelmässigen, räumlich periodischen Anordnung der Bausteine eines kristallinen Festkörpers; geometrische Einteilung nach der Dimension der gestörten Bereiche in n-dimensionale Gitterfehler. Einzelne fehlgeordnete Atome heissen Punktdefekte (n = 0). Wichtige Beispiele sind Leerstellen (Schottky-Defekte), Zwischengitteratome (zusätzliche Atome auf Zwischengitterplätzen, Anti-Schottky-Fehlordnung), Fehlstellen-Paare (Sprung eines Gitteratomes auf einen Zwischengitterplatz, Frenkel-Defekte) sowie Fremdatome auf bzw. zwischen regulären Gitterplätzen (substitutionelle bzw. interstitielle Fehlordnung). Linienhafte Fehlordnungen (n = 1) liegen bei Versetzungen vor, flächenhafte Fehlordnungen (n = 2) sind z.B. Korngrenzen in Polykristallen, Oberflächen- sowie Stapelfehler durch Unregelmässigkeiten in der Lagenabfolge des Gitters.

Defekte können im thermodynamischen Gleichgewicht existieren, sofern der mit der erhöhten Unordnung verbundene Entropiegewinn die Bildungsenergie aufwiegt (Eigenfehlstellen). Aufgrund der relativ niedrigen Bildungsenergie ist dies praktisch nur für Leerstellen der Fall (E_B » 1 eV); die meisten Defekte befinden sich nicht im Gleichgewicht und sind durch äussere Energiezufuhr entstanden. Der Anteil thermischer Leerstellen in einem Kristall mit N Atomen beträgt näherungsweise  (n: Anzahl thermischer Leerstellen) mit Werten zwischen 10^-3 und 10^-5 in der Nähe des Schmelzpunktes.

Viele wichtige Materialeigenschaften werden nicht durch die Kristallstruktur, sondern durch Defekte bestimmt, die mechanische, elektrische, magnetische und optische Eigenschaften sowie Umwandlungsvorgänge charakteristisch verändern können. Bei der Diffusion erleichtern Leerstellen den Platzwechsel von Atomen; in Ionengittern sind Leerstellen oder überzählige Ionen auf Zwischengitterplätzen die Ursache der elektrischen Leitfähigkeit. Chemische Verunreinigungen, die als Fremdatome in das Wirtsgitter eingebaut werden, spielen in Halbleitern als Donatoren und Akzeptoren eine dominierende Rolle, während die Färbung durchsichtiger Ionenkristalle in der Regel von Störstellen bewirkt wird, die sichtbares Licht absorbieren (Farbzentren). Die sehr leichte plastische Verformbarkeit von Metallen beruht auf Versetzungen.