고체 내의 결함 (1) - 금속의 점결함

앞서 살펴본 결정 구조는 완벽하다. 하지만 이러한 이상적인 고체는 사실 존재하지 않는다.

모든 고체들은 다양한 결함을 가지고 있다. 하지만 결함이라 하여 항상 좋지 않은 것은 아니다.

이러한 결함을 조절하여 원하는 재료의 특성을 얻을 수 있기 때문이다. 

 

결정 결함은 크게 3가지가 있다 점결함, 선결함, 그리고 면결함이다.

금속에서의 점 결함에 대해 먼저 알아보자

금속에서 점 결함의 종류는 원자빈자리(공공)과 자체 격자 간 원자가 있다.

 

1. 원자 빈자리

 

가장 간단한 형태의 결함으로, 원래 원자가 있어야 할 자리에 원자가 없어져서 형성

모든 결정 고체는 원자 빈자리를 포함한다. 본질적으로는, 원자 빈자리가 있으면 결정의 엔트로피가 증가

 

우선 원자 빈자리의 평형 개수 Nv(보통 입방미터당)은 다음 식으로 구할 수 있다.

\(\frac{N_{v}}{N}\)=exp(\(\frac{-Q_{v}}{kT}\))

 

여기서 N은 총 원자의 개수, Qv는 원자 빈자리 형성에 필요한 에너지, T는 절대온도, k는 볼츠만 상수이다. 

k볼츠만 상수는 2가지로 표현할 수 있는데, Qv의 단위에 따라 표현한다. 계산을 하기 위함이다.

\(1.38*10^{-23}\) \(\frac{J}{atom*K}\)  이거나 \(8.6*10^{-5}\)\(\frac{ev}{atom*K}\) 이다.

 

따라서 원자 빈자리의 개수는 온도가 높거나 원자 빈자리 형성에 필요한 에너지 Qv가 낮으면 많아진다.

 

2. 자체 격자간 원자 

 

이는 원래 원자가 있는 위치가 아닌데 원자가 껴들어 가서 형성

금속의 경우 격자간 자리의 공간들보다 원자가 상당히 크므로 이 결함은 주위의 격자에 큰 변형을 일으킴

따라서 원자 빈자리 보다 굉장히 적게 발견된다.

 

원자 빈자리 공식으로 문제를 풀때에는 밀도를 주어주면 N을 구할 수 있다. 그 뒤 온도와 에너지를 이용해

공공의 개수를 구하자.