4.3.2. IMPERFECCIONES PUNTUALES

  IMPERFECCIONES PUNTUALES

Los defectos puntuales son imperfecciones o irregularidades que se presentan en el retículo cristalino de un sólido, y que desvían la estructura cristalina de su estado perfecto. Se dice que no tienen dimensión (0) debido a que son solamente puntos del retículo cristalino; este punto puede ser un átomo, ion, molécula, clústeres, etc.

Los sólidos a una temperatura de 0 K (el cero absoluto) exhiben estructuras perfectas, pues en teoría sus componentes se encuentran inmovilizados, congelados. Sin embargo, apenas sube la temperatura los átomos, a decir, comienzan a vibrar, lo cual tarde o temprano acaba originando que se desplacen fuera de sus sitios correspondientes.

Por otro lado, los defectos puntuales también pueden deberse a sustituciones, ya sea por átomos más grandes (de color morado), o átomos más pequeños (de color marrón). Hablamos pues de defectos puntuales sustitucionales, que tienen lugar muchas veces cuando se introducen impurezas a propósito (dopado) en materiales metálicos y cerámicos.

Los defectos puntuales son esenciales para entender otros defectos que se proyectan en otras dimensiones del cristal.

TIPOS DE DEFECTOS PUNTUALES:

Defectos puntuales intrínsecos

Cuando se define una estructura cristalina se hace siempre desde la idealidad. Pero en la naturaleza los defectos son inevitables, por pequeños que sean. Así, los sólidos tienen una predisposición natural a presentar defectos puntuales en sus estructuras, cuya interacción y sumatoria afectan o modifican sus propiedades químicas y físicas. Los llamados defectos puntuales intrínsecos tienen lugar en materiales “puros”.

Defectos puntuales extrínsecos

A diferencia de los defectos puntuales intrínsecos, los extrínsecos ocurren por la incorporación de impurezas. Ningún sólido en la naturaleza es 100% puro, por lo que siempre manifestará estos tipos de defectos, además de los intrínsecos.Sin embargo, cobran una singular importancia e interés cuando las impurezas se adicionan intencionalmente en cantidades predeterminadas; hablamos del dopado de materiales.

Dependiendo de las características del dopante y del material seleccionado, se incorporan defectos en el sólido de manera premeditada, lo cual repercute en sus propiedades químicas y físicas. Tal es el caso de la formulación de semiconductores, por ejemplo, el GaAs.

Defectos puntuales en metales

En los metales tenemos cristales que, en principio, carecen de cargas eléctricas; es decir, no hay cationes ni aniones presentes, sino solamente átomos neutros metálicos. Entonces, los defectos que pudiera haber en los metales no afectarían su neutralidad, por lo que no tendría lugar ningún mecanismo que compense dichos defectos.

Defectos puntuales en estructuras cristalinas

En las estructuras cristalinas, abarcando otros sólidos además de los ya mencionados metales, tenemos dos tipos principales de defectos puntuales: los de Frenkel, y los de Schottky. Ambos pueden darse en mismas regiones de un cristal, y asimismo es bastante posible que estén presentes junto a defectos de vacancias o por ocupaciones intersticiales.

Cuando hablamos de sales, óxidos, sulfatos, etc., habrá cationes y aniones que definan un cristal por sus interacciones electrostáticas. Por lo tanto, si eliminamos un catión, predominarán las cargas negativas de los aniones, y el cristal se cargará negativamente. Esto es imposible que ocurra porque violaría el principio de la electroneutralidad.

Frenkel: En el defecto puntual de tipo Frenkel, en honor a Yakov Frenkel, un punto reticular abandona su posición original para terminar en un intersticio. Es decir, que un átomo, molécula o ion pasan a una posición intersticial dejando atrás una vacancia.            

Schottky: En el defecto puntual de tipo Schottky tenemos dos vacancias simultáneas: una correspondiente al catión, y otra correspondiente al anión. Por ejemplo, ahora no se trata de que un catión brinque a una posición intersticial, sino que “desaparece” acompañado de un anión (derecha de la imagen superior).

Defectos puntuales en materiales cerámicos

Las cerámicas son materiales cuyo carácter iónico es muy oscilante. Algunas presentan un marcado carácter covalente, como sucede con la sílice, SiO2, o con el nitruro de aluminio, AlN. Por lo tanto, debemos considerar otros dos tipos de defectos puntuales que pueden ocurrir como producto del carácter covalente de las cerámicas: el antisitio y el enlace no saturado.

Antisitio: Como su nombre sugiere, es el defecto que ocurre cuando dos átomos cambian de sitio, encontrándose en posiciones contrarias a la del retículo cristalino original.

Ejemplos de defectos puntuales

Haluros de plata

Los haluros de plata, como el AgCl o AgBr, presentan defectos de Frenkel donde el catión Ag+ se desplaza a posiciones intersticiales.

Haluros alcalinos

Los haluros alcalinos, como el NaCl, manifiestan defectos de Schottky, cuyas vacancias aniónicas se llenan de electrones cuando sus cristales se calientan en presencia de los vapores de sodio o potasio metálicos.

Dióxido de torio

En el ThO2 el catión Th4+ es más voluminoso que el anión O2-. Por lo tanto, este óxido presenta defecto de Frenkel donde es el O2- el que se desplaza a posiciones intersticiales.

Esponja de paladio

El paladio es capaz de absorber hidrógeno, comportándose como una esponja que los retiene en las posiciones intersticiales de sus cristales.