缺陷與擴散

自間隙原子(self-interstitial)

如果空位是少了一個原子,那麼自間隙原子就是相反的情況:一個母金屬本身的原子被硬塞進正常晶格位置之間的縫隙——一個原本不該放原子的地方。想像火車上擠得滿滿的人群,然後有人硬把自己塞進兩排座位之間的狹窄空隙,附近每個人都被推擠壓迫。這正是自間隙原子對周圍晶格所做的事:它朝四面八方劇烈地扭曲晶格。

由於金屬中的間隙縫隙很小,而母原子是全尺寸的,把一個塞進去會使鄰居承受極大的應變。這使得製造一個自間隙原子代價非常高——其形成能大約是空位的三到四倍。把這個很大的 Qv 代回同一個阿瑞尼士定律 exp(-Qv/kT),會使正常金屬中自間隙原子的平衡濃度小到可以完全忽略——比空位稀有好幾個數量級。在日常的熱環境下,你幾乎可以不理會它們。

那為什麼還要學它?因為它在輻射下極為重要。當一個快中子或離子把某個原子從其位置整個撞飛,就會留下一個空位,並把那顆原子卡進間隙位置——這種成對的空位加間隙缺陷稱為弗蘭克缺陷(Frenkel defect)。它是核反應爐鋼材與太空船電子元件中輻射損傷的基本單位;經年累月累積的間隙原子與空位,會造成腫脹、硬化與脆化。

在室溫下的 FCC 或 BCC 金屬中,自間隙原子與空位的比值小到極致——若空位為 10^-10,自間隙原子可能在 10^-30 附近。但在反應爐壓力槽內,單一個高能中子碰撞會直接製造出一個弗蘭克對(一個空位加一個間隙原子),完全繞過熱統計的規律。

在熱平衡下幾乎不存在,但輻射會大量產生自間隙原子——這是反應爐鋼材損傷的源頭。

不要把自間隙原子(母金屬本身跑錯位置的原子)與間隙型雜質(如鐵中的碳,一個能舒適嵌入縫隙的小外來原子)混為一談。雜質會形成穩定的固溶體;自間隙原子則是高能量的缺陷。

又称
interstitialcy自間隙本體間隙原子