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Lexikon der Geowissenschaften: Leerstelle

Leerstelle, Schottky-Defekt, punktförmiger Kristallbaufehler, bei dem eine Atomposition nicht besetzt ist. Selbst in extrem perfekten Kristallen können Leerstellen nicht vermieden werden, da diese wegen ihrer relativ geringen Bindungsenthalpie (Enthalpie) bereits im thermodynamischen Gleichgewicht vorhanden sind. Die Leerstellenkonzentration, d.h. der Molenbruch cL als Funktion der Temperatur T, ist durch:

cL(T) = exp(SLB/k)·exp(-ELB/kT)

gegeben. Hierbei entspricht ELB der Bildungsenergie, die aufgebracht werden muß, um eine Leerstelle entstehen zu lassen. Bei SLB handelt es sich um den damit verbundenen Entropiegewinn, der sich aus zwei Beiträgen zusammensetzt. Zum einen ist dies ein einfacher Mischungsentropieterm, der durch die große Möglichkeit der Konfigurationen, die wenige Leerstellen unter sehr vielen Atomen annehmen können, zustande kommt. Zum anderen ergibt sich ein beachtlicher Entropiegewinn durch die beim Entstehen einer Leerstelle möglich gewordenen asymmetrischen Schwingungszustände der Nachbaratome. Typische Leerstellenkonzentrationen sind ca. 0,001 nahe am Schmelzpunkt und ca. 10-14 bei Raumtemperatur. Nach obiger Gleichung wäre die Leerstellenkonzentration bei sehr niedrigen Temperaturen extrem klein. Da jedoch mit abnehmender Temperatur auch die Beweglichkeit (Diffusion) der Leerstellen sinkt, kann sich das thermodynamische Gleichgewicht nicht mehr in endlicher Zeit einstellen. Daher ist es nicht möglich, einen Idealkristall, der frei von Leerstellen ist, herzustellen.

Leerstellen haben für die Diffusion von Atomen durch einen Kristall eine große Bedeutung, da der energetisch günstigste Diffusionsmechanismus auf das Wandern von Leerstellen beruht. Bei einem Ionenkristall können Leerstellen nur unter Berücksichtigung der Ladungsneutralität auftreten. Neben den bisher besprochenen thermodynamisch bedingten Leerstellen kann es für manche Verbindungen vorteilhaft sein, sog. chemische Leerstellen (auch strukturelle Leerstellen genannt) einzubauen. Diese können bei stöchiometrischen Verbindungen mit nicht exakt stöchiometrischer Zusammensetzung oder bei Ionenkristallen zur Erhaltung bestimmter Elektronenkonzentrationen oder Ladungen notwendig sein. Bei nicht stöchiometrischen Ionenkristallen, die ein Ion enthalten, das verschiedene Wertigkeiten annehmen kann, z.B. Fe2+, Fe3+, treten fast immer chemische Leerstellen zum Ausgleich der Ladung auf. Leerstellen können auch durch Strahlungseinwirkung entstehen. Diese sind jedoch nicht im thermodynamischen Gleichgewicht und können durch thermische Aktivierung ausgeheilt werden (Erholung). [EW]

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