點缺陷與非化學計量

蕭特基缺陷(Schottky defect)

/ SHOT-kee /

在食鹽這樣的離子晶體中,你不能像在金屬裡那樣單純地移走一個原子——每個離子都帶電,抽走一個帶正電的鈉離子,會讓晶體帶淨負電,這是大自然不允許的。蕭特基缺陷是離子晶體製造空位、同時把帳算平的誠實做法:它們把一個正離子和一個負離子成對一起移走,使整體電荷保持中性。

以氯化鈉(NaCl)為例,這是由 Na+ 與 Cl- 離子構成的岩鹽晶體。一個蕭特基缺陷就是一個空的鈉位置加上一個空的氯位置,一起產生。這兩個缺席的離子通常遷移到表面。電荷保持平衡(移走一正一負),兩元素的比例也保持平衡(各一個),所以晶體整體的化學式 NaCl 得以保存。由於它只移走原子而不加入任何原子,蕭特基缺陷會使晶體密度極輕微地下降——一旦把空位算進去,同樣的質量佔據了稍大的體積。在電荷不同的化合物中,例如 MgO 或 CaF2,這個對就變成一組電荷平衡的集合(對 CaF2 而言,每兩個 F- 空位配一個 Ca2+ 空位)。

蕭特基缺陷是鹼金屬鹵化物與許多氧化物中主導的本徵(內建、由溫度驅動)點缺陷,也是這些材料中離子傳導的載子。一個離子唯有隔壁有對的種類的空位可跳入時才能移動,所以蕭特基空位的數量直接決定了鹽晶體藉由移動離子導電的能力——這是固態電解質的基礎。它們的平衡數量隨溫度依波茲曼定律上升,就像金屬空位一樣,只是形成能分攤在整個對上。

在高溫的氯化鈉中,大約每十萬個離子對就形成一個陽離子-陰離子空位對。每個蕭特基對留下一個空的 Na+ 位置和一個空的 Cl- 位置;附近的 Na+ 就能跳進那個鈉空位,帶著電荷移動——這正是固態 NaCl 在高溫時傳導微弱離子電流的方式。

蕭特基缺陷把一個陽離子和一個陰離子一起移走,使電荷與化學計量都保持平衡。

蕭特基缺陷不是單一空位——它是一組電荷平衡的空位。只移走一個離子會讓晶體帶電,在能量上是被禁止的;正是這項約束,使蕭特基缺陷成組出現。

又称
Schottky paircation-anion vacancy pair蕭特基對