自間隙原子(self-interstitial)
自間隙原子是一個母原子被硬擠進正常晶格位置之間的空隙——一個根本不該容納原子的地方。如果空位是一個空的停車位,那自間隙原子就是一輛橫著卡在車位之間狹窄走道上的車,硬塞在其實沒有空間的地方。它和鄰居是同一種原子(這就是「自」的意思:晶體自己元素的原子,而非外來原子),只是被推進了不對的位置。
晶體中原子之間的緊密空隙(間隙位置)很小——在最密堆積金屬裡比原子本身小得多。把一個全尺寸的母原子硬塞進去,會嚴重扭曲周圍晶格,所以形成一個自間隙原子的能量很大,金屬中通常是 3 到 4 eV,是空位代價的三、四倍。把它代入波茲曼定律 n/N = exp(-Q/kT),平衡數目就小到微不足道:當 Q 約為 4 eV,即使接近熔點的熱金屬也幾乎完全沒有熱自間隙原子。所以在一般加熱下,就實用而言它們是不存在的。
自間隙原子真正大顯身手是在輻照之下。當一顆快中子或離子把一個原子從它的位置上乾淨地撞出去,就會留下一個空位,並把被撞出的原子塞進間隙位置——空位與自間隙原子成對一起產生(弗侖克爾對)。這是反應爐鋼材與電子材料中輻射損傷的基本單元。這兩種缺陷都極易移動,若不直接復合,就會團聚成孔洞與差排環,使材料膨脹與脆化——這正是為什麼自間隙原子在爐子裡微不足道,卻是核材料科學的核心。
在反應爐壓力槽鋼中,每次高能中子碰撞都可能撞位移一個鐵原子,產生一個弗侖克爾對:一個空位加一個鐵自間隙原子。多年服役下來會形成數以十億計;存活下來的間隙原子與空位遷移並團聚,使鋼硬化與脆化——這是輻射損傷,由那在一般熱處理中不存在的自間隙原子所驅動。
自間隙原子是一個母原子硬塞進空隙;靠熱形成代價高昂,卻由輻射大量製造。
由於它的形成能遠高於空位,金屬中熱自間隙原子的數量微不足道——別把空位與自間隙原子當成數量差不多。在一般加熱下,空位壓倒性地佔多數。