적층 결함
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1. 개요
적층 결함은 결정성 재료에서 발생하는 2차원 평면 결함으로, 결정 성장 과정, 소성 변형, 또는 점결함 응축에 의해 형성된다. FCC 결정에서 완전 선 전위는 두 개의 Shockley 부분 전위로 분리될 수 있으며, 이 사이의 적층 결함은 에너지 차이로 인해 부분 전위를 끌어당기는 역할을 한다. 적층 결함은 Frank 부분 전위에 의해서도 생성되며, 내재적 및 외재적 결함의 두 가지 유형이 있다. 적층 결함은 투과 전자 현미경(TEM)과 주사 전자 현미경(SEM)을 사용하여 관찰할 수 있으며, 반도체에서는 띠 간격 변화를 유발하여 양자 우물을 형성하거나 전류 수송에 영향을 줄 수 있다.
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| 적층 결함 | |
|---|---|
| 적층 결함 | |
 | |
| 유형 | 내재적 적층 결함 외재적 적층 결함 쌍정 결함 |
| 설명 | |
| 정의 | 결정 구조에서 원자층의 배열 순서가 부분적으로 어긋나는 결함 |
| 형성 원인 | 소성 변형 응고 결정 성장 |
| 영향 | 재료의 기계적, 전기적, 화학적 특성에 영향 |
| 관찰 방법 | 투과 전자 현미경 X선 회절 |
| 결정 구조 | |
| FCC 결정 구조 | ABCABC 대신 ABAB 또는 ABCBCB 순서 |
| HCP 결정 구조 | ABABAB 대신 ABCBC 또는 ACAC 순서 |
| 기타 | |
| 관련 현상 | 전위 쌍정 |
| 응용 | 나노와이어 성장 에너지 저장 |
2. FCC 결정에서의 적층 결함 형성
적층 결함은 결정성 재료에서 발생할 수 있는 2차원 평면 결함이다. 이는 결정 성장 과정, 소성 변형 과정, 또는 고속률 소성 변형 중 점결함의 응축에 의해 형성될 수 있다.[3] 적층 결함의 시작과 끝은 부분 선 전위(예: 부분 엣지 전위)에 의해 표시된다. 선 전위는 가장 밀집된 면에서 가장 밀집된 방향으로 발생하는 경향이 있다. FCC 결정의 경우, 가장 밀집된 면은 (111)면(활주면)이고, 가장 밀집된 방향은 [110]방향이다. 따라서 FCC에서 완전 선 전위는 병진 벡터인 ½<110>의 버거스 벡터를 갖는다.[4]
2. 1. 전위 해리와 적층 결함 에너지
완전 전위는 부분 전위로 해리될 수 있는데, 이는 선 결함의 에너지가 버거스 벡터 크기의 제곱에 비례하기 때문이다.[4] 예를 들어, 엣지 전위는 1/6<112>의 버거스 벡터를 갖는 두 개의 쇼클리(Shockley) 부분 전위로 해리될 수 있다.[4] 이 방향은 더 이상 가장 밀집된 방향이 아니며, 완전 전위를 완성하기 위해 두 개의 버거스 벡터가 서로 60도 각도를 이루므로 두 개의 부분 전위는 서로를 밀어낸다. 부분 전위가 서로 밀어냄에 따라 그 사이에 적층 결함이 생성된다. 적층 결함은 결함이기 때문에 완벽한 결정보다 에너지가 높아 부분 전위를 다시 서로 끌어당기는 역할을 한다.[4]적층 결함 에너지는 다음 공식을 사용하여 전위 해리의 폭으로부터 결정될 수 있다.[4]
:
여기서 과 는 해리된 부분 전위의 버거스 벡터이고, 는 해리된 부분 전위의 벡터 크기, 는 전단 계수, 는 부분 전위 사이의 거리이다.
적층 결함은 1/3<111>의 버거스 벡터를 갖는 프랭크(Frank) 부분 전위에 의해서도 생성될 수 있다.[4] 프랭크 부분 전위에 의해 발생하는 적층 결함에는 내재적 적층 결함과 외재적 적층 결함 두 가지 유형이 있다. 내재적 적층 결함은 공공 응집에 의해 형성되며, ABCA_BA_BCA 순서로 면이 하나 누락되어 있다. 여기서 BA가 적층 결함이다.[5] 외재적 적층 결함은 침입형 원자 응집에 의해 형성되며, ABCA_BAC_ABCA 순서로 면이 하나 추가되어 있다.[5]
2. 2. 프랭크 부분 전위와 적층 결함
프랭크(Frank) 부분 전위는 1/3<111>의 버거스 벡터를 가지며, 이로 인해 내재적(intrinsic) 적층 결함과 외재적(extrinsic) 적층 결함, 두 가지 유형의 적층 결함이 생성될 수 있다.[4] 내재적 적층 결함은 공공(vacancy)의 응집에 의해 형성되며, ABCA_BA_BCA 순서와 같이 면이 하나 누락된 형태로 나타난다. 여기서 BA가 적층 결함에 해당한다.[5] 반면, 외재적 적층 결함은 침입형(interstitial) 원자의 응집에 의해 형성되며, ABCA_BAC_ABCA 순서와 같이 면이 하나 추가된 형태로 나타난다.[5]3. 전자 현미경을 이용한 적층 결함 관찰
적층 결함은 투과 전자 현미경(TEM)과 주사 전자 현미경(SEM)을 사용하여 관찰할 수 있다.[6] TEM은 명시야 이미징을 통해, SEM은 전자 채널링 대비 이미징(ECCI)을 통해 적층 결함을 식별한다.[7]
3. 1. 투과 전자 현미경 (TEM)
투과 전자 현미경(TEM)에서 명시야 이미징은 적층 결함의 위치를 식별하는 데 사용되는 한 가지 기술이다. 적층 결함의 전형적인 이미지는 어둡고, 저각 입계 근처에 밝은 프린지가 있으며, 적층 결함 끝에 전위가 끼어 있다. 프린지들은 적층 결함이 시야면에 대해 경사져 있음을 나타낸다.[3]3. 2. 주사 전자 현미경 (SEM)
주사 전자 현미경(SEM)의 전자 채널링 대비 이미징(ECCI)을 사용하여 적층 결함을 식별할 수 있다. SEM에서 표면 근처의 결함은 결정이 변형된 결함 영역에서 후방산란 전자 수율이 다르기 때문에 식별할 수 있으며, 이는 이미지에서 다른 대비를 만든다.[7]결함이 없는 영역은 후방산란 전자를 거의 검출하지 못해 어둡게 나타나도록 매트릭스에서 특정 격자면에 대한 정확한 브래그 조건을 인식하는 것이 중요하다. 반면, 적층 결함이 있는 영역은 브래그 조건을 만족하지 않으므로 많은 양의 후방산란 전자를 생성하여 이미지에서 밝게 나타난다. 대비를 반전하면 적층 결함이 밝은 매트릭스 가운데 어둡게 나타나는 이미지가 생성된다.[7]
4. 반도체에서의 적층 결함
주기율표의 3족과 5족, 또는 2족과 6족 원소를 결합한 많은 복합 반도체는 면심입방(fcc) 섬아연석 또는 육방조밀격자(hcp) 섬아연광 결정 구조로 결정화된다. 반도체 결정에서 적층 결함이 발생하면, 결정 상의 띠 간격 에너지 차이로 인해 양자 우물이 형성되거나 에너지 장벽이 생겨 반도체 소자의 전류 수송에 영향을 줄 수 있다.[8]
4. 1. 섬아연석 및 섬아연광 구조
많은 복합 반도체, 예를 들어 주기율표의 3족과 5족 또는 2족과 6족 원소를 결합한 반도체는 면심입방(fcc) 섬아연석 또는 육방조밀격자(hcp) 섬아연광 결정 구조로 결정화된다. 반도체 결정에서 주어진 물질의 fcc 및 hcp 상은 일반적으로 다른 띠 간격 에너지를 갖는다.[8] 결과적으로, 적층 결함의 결정 상이 주변 상보다 낮은 띠 간격을 갖는 경우, 양자 우물을 형성하며, 이는 광발광 실험에서 벌크 결정보다 낮은 에너지(더 긴 파장)에서 광 방출을 유도한다.[8] 반대의 경우(적층 결함에서 더 높은 띠 간격)는 결정의 띠 구조에서 에너지 장벽을 구성하여 반도체 소자의 전류 수송에 영향을 줄 수 있다.[8]4. 2. 양자 우물 형성 및 띠 간격 변화
많은 복합 반도체, 예를 들어 주기율표의 3족과 5족 또는 2족과 6족 원소를 결합한 반도체는 면심입방(fcc) 섬아연석 또는 육방조밀격자(hcp) 섬아연광 결정 구조로 결정화된다. 반도체 결정에서 주어진 물질의 fcc 및 hcp 상은 일반적으로 다른 띠 간격 에너지를 갖는다. 결과적으로, 적층 결함의 결정 상이 주변 상보다 낮은 띠 간격을 갖는 경우, 양자 우물을 형성하며, 이는 광발광 실험에서 벌크 결정보다 낮은 에너지(더 긴 파장)에서 광 방출을 유도한다.[8] 반대의 경우(적층 결함에서 더 높은 띠 간격)는 결정의 띠 구조에서 에너지 장벽을 구성하여 반도체 소자의 전류 수송에 영향을 줄 수 있다.참조
[1]
서적
Introduction to Chemical and Structural Defects in Crystalline Solids
Springer
[2]
서적
Theory of dislocations
Krieger Pub Co
[3]
논문
Transmission Electron Microscopy Study of Stacking Faults and Their Interaction with Pyramidal Dislocations in Deformed Mg
[4]
서적
Introduction to Dislocations
[5]
웹사이트
Partial Dislocations and Stacking Faults
http://dtrinkle.mats[...]
[6]
논문
Imaging dislocation cores - the way forward
[7]
논문
Observation of Stacking Faults in a Scanning Electron Microscope by Electron Channelling Contrast Imaging
[8]
논문
Luminescence associated with stacking faults in GaN
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