Frenkel-Defekt

Zwei Frenkel-Defekte in einem Silberchlorid-Gitter

Frenkel-Defekte (auch: Frenkel-Fehlordnung oder Frenkel-Paare) sind bestimmte, in Kristallgittern vorkommende Gitterfehler. Sie zählen neben den Schottky-Defekten zu den wichtigsten Punktfehlern. Sie sind nach dem russischen Physiker Jakow Iljitsch Frenkel benannt, der sie 1926 erstmals beschrieb.

Beschreibung

Ein Frenkel-Defekt entsteht dadurch, dass ein Ion oder Atom seinen regulären Gitterplatz verlässt und auf eine normalerweise nicht besetzte Position im Kristallgitter wandert. Dadurch entstehen jeweils eine Leerstelle und ein Zwischengitteratom (bzw. ein Zwischengitterion). Dies ist durch die geringere Ordnung entropisch günstiger, allerdings erhöht sich die Energie des Kristalls. So erhöht sich die Energie von Kupfer mit jeder Leerstelle um 1,2 eV, mit jedem Atom auf einem Zwischengitterplatz um 3,4 eV. Da es energetisch günstiger ist, wenn das kleinere Atom auf einem Zwischengitterplatz liegt, finden sich Frenkel-Defekte in der Regel bei den kleineren Kationen.

Frenkel-Defekte sind eine natürliche Eigenschaft vieler Ionenkristalle, das heißt, dass sie schon im chemischen Gleichgewicht vorliegen. Die Konzentration der Leerstellen kann formal über eine Art Massenwirkungsgesetz beschrieben werden. Die Anzahl der Frenkel-Defekte nimmt mit steigender Temperatur zu.

Vorkommen

Frenkel-Defekte finden sich vor allem in solchen Strukturen, die größere unbesetzte Leerstellen wie Oktaederlücken besitzen. Hierzu zählen etwa die Sphalerit-, Spinell- und Fluoritstruktur. In Verbindungen mit Natriumchloridstruktur findet man dagegen nur selten Frenkel-Defekte, ein Beispiel hierfür ist Silberchlorid, während etwa Alkalimetallhalogenide oder Erdalkalimetalloxide keine Frenkel-Defekte besitzen.

Anti-Fluorit-Struktur

Der seltenere Fall, dass die meist größeren Anionen auf Zwischengitterplätzen liegen, wird häufig auch Anti-Frenkel-Defekt genannt. Er findet sich in vielen Verbindungen der Fluoritstruktur, bei der die Anionen in den kleineren Tetraederlücken liegen und durch den Defekt in die größeren Oktaederlücken gelangen.

Entstehung

Frenkel-Defekte können durch verschiedene Prozesse entstehen. Zu diesen zählen die Kristallisation, Abschrecken, Umformen, Wärmebehandlung, radioaktive Bestrahlung und Schnitte durch Versetzungslinien. Außerdem entstehen Defekte oberhalb des absoluten Nullpunkts ständig von selbst, und verschwinden wieder, wenn durch Diffusion im Festkörper eine Leerstelle und ein Ion auf Zwischengitterplatz wieder aufeinandertreffen. Im thermodynamischen Gleichgewicht halten sich die beiden Prozesse die Waage.

Basierend auf einem Artikel in Wikipedia.de