弗侖克爾缺陷(Frenkel defect)
/ FRENK-el /
弗侖克爾缺陷是離子晶體製造點缺陷、又不打亂電荷平衡的另一種誠實做法:它不移走離子,而是單純地「搬動」一個。一個離子離開它的正常位置,擠進附近的間隙空隙,留下一個空位。現在有一個空位(它離開的位置)和一個間隙原子(它搬進的擁擠空隙)——但這個離子仍在晶體內,所以沒有加入或移走任何電荷。整件事是一次自我平衡的挪移。
由於離子只是重新安置而非離開,弗侖克爾缺陷完全不改變晶體的密度或化學式——它是「同一」離子的一個空位加一個間隙原子,成對產生。哪個離子會移動,取決於哪個塞得進空隙:通常是較小的離子,最常是陽離子。氯化銀(AgCl)是經典案例——小小的 Ag+ 離子輕易從它的位置跳進間隙位置,形成一個銀空位加一個銀間隙原子。當可動的是陰離子時,也會出現陰離子弗侖克爾缺陷,例如螢石結構的 CaF2,其中氟離子滑進間隙位置。
在蕭特基與弗侖克爾之間的取捨,基本上是個大小問題:若離子大小相近、間隙空隙又緊,那麼製造空位對(蕭特基)比較划算;若某個離子小到能滑進空隙,那麼把它位移(弗侖克爾)比較划算。弗侖克爾缺陷使鹵化銀成為良好的離子導體,也是攝影底片感光的基礎,其中可動的間隙銀離子聚集形成潛影。和所有本徵缺陷一樣,它們的平衡數量隨溫度依波茲曼定律攀升。
在溴化銀(黑白攝影底片的基礎)中,光釋出電子,與可動的間隙 Ag+ 離子(弗侖克爾間隙原子)結合,沉積出微小的金屬銀斑點——這潛影隨後由顯影放大。整個過程仰賴弗侖克爾缺陷所賦予的可動銀離子。
弗侖克爾缺陷把一個離子位移到間隙位置,形成同一離子的一個空位加一個間隙原子。
弗侖克爾缺陷不改變晶體的密度與化學式(沒有東西離開),而蕭特基缺陷會略微降低密度(有原子被移走)。某個晶體以哪一種為主,由離子大小與間隙空隙的緊密程度決定,而非隨意。