Techniklexikon

Leerstelle

Gitterleerstelle, Vakanz, einfachste Form eines Kristalldefektes, ein Punktdefekt, d.h. ein fehlendes Atom bzw. Ion, an einem Gitterplatz.

Dies wird als Schottky-Defekt bezeichnet, wenn das fehlende Ion als bis zur Kristalloberfläche verschoben beschreibbar ist, und als Frenkel-Defekt, wenn das Ion von einem regulären Gitterplatz an einen sogenannten Zwischengitterplatz (einer Stelle im Gitter, die normalerweise nicht von einem Ion besetzt ist) gewandert ist.

Die Anwesenheit von solchen Gitterleerstellen erklärt sich aus der Tatsache, dass oberhalb des absoluten Nullpunkts der Idealkristall nicht den thermodynamisch günstigsten Zustand darstellt, da die Entropie erhöht wird, wenn eine Unordnung in der Struktur vorhanden ist. Daher bezeichnet man dies auch als thermische Fehlordnung.

Die Wahrscheinlichkeit P für das Auftreten von unbesetzten Gitterplätzen im thermischen Gleichgewicht istP = exp(-E_V / k_BT) = n (N - n) » n / N (E_V: für ein Ion aufzuwendende Verschiebungsenergie zwischen Gitterplatz im Kristallinneren und Gitterplatz an der Kristalloberfläche, k_B: Boltzmann-Konstante, T: Temperatur, N: gesamte Atomzahl im Kristall, n: Zahl der Leerstellen). In Metallen ist die Grössenordnung n / N etwa 10^-3-10^-4. Bei einigen Legierungen (z.B. bei den sehr harten Carbiden der Übergangsmetalle wie TiC) kann n / N durchaus bis zu 1 / 2 sein. Die Grössenordnung von E_V ist bei Schottky-Defekten etwa 1 eV, bei Frenkel-Defekten etwas höher (> ca. 5 eV).

Die Zahl der Leerstellen lässt sich erheblich erhöhen durch Beschuss des Kristalls mit energiereicher Strahlung (z.B. Röntgen oder Neutronen), oder durch langsame Erhitzung (»Tempern«) im thermischen Gleichgewicht und darauffolgende schnelle Abkühlung (»Abschreckung«), was nicht im thermischen Gleichgewicht geschieht. Dies ist das sog. »Einfrieren« der Leerstellen.