В кристаллографии вакансия представляет собой тип точечного дефекта в кристалле , где атом отсутствует на одном из узлов решетки. Кристаллы по своей природе обладают дефектами, иногда называемыми кристаллическими дефектами. Он также известен как дефект Шоттки, хотя в ионных кристаллах концепции не идентичны.
Вакансии естественным образом встречаются во всех кристаллических материалах. При любой заданной температуре, вплоть до точки плавления материала, существует равновесная концентрация (отношение свободных узлов решетки к узлам, содержащим атомы). При температуре плавления некоторых металлов соотношение может составлять примерно 1: 1000. Эту температурную зависимость можно смоделировать следующим образом:
где N v - концентрация вакансий, Q v - энергия, необходимая для образования вакансий, k B - постоянная Больцмана, T - абсолютная температура, N - концентрация атомных узлов, т.е.
где ρ - плотность, N Aпостоянная Авогадро и A - атомная масса.
Это простейший точечный дефект. В этой системе атом отсутствует в его обычном атомном узле. Вакансии образуются во время затвердевания из-за колебаний атомов, локальной перегруппировки атомов, пластической деформации и ионной бомбардировки.
Создание вакансии можно просто смоделировать, учитывая энергию, необходимую для разрыва связей между атомом внутри кристалла и его ближайшими соседними атомами. Как только этот атом удаляется из узла решетки, он снова помещается на поверхность кристалла и извлекается некоторая энергия, потому что устанавливаются новые связи с другими атомами на поверхности. Однако это чистый вклад энергии, потому что между поверхностными атомами меньше связей, чем между атомами внутри кристалла.
В большинстве приложений свободные дефекты не имеют отношения к предполагаемому назначению материала, так как их либо слишком мало, либо они расположены в многомерном пространстве таким образом, что сила или заряд могут перемещаться вокруг вакансии. Однако в случае более ограниченных структур, таких как углеродные нанотрубки, вакансии и другие кристаллические дефекты могут значительно ослабить материал.