Leerstellen

Schematische Darstellung der Leerstellenbildung an einer Oberfläche

Eine Leerstelle (englisch vacancy) ist in der Kristallographie ein Platz in der regelmäßigen Anordnung von Atomen, Ionen oder Molekülen im Kristallgitter, der unbesetzt ist. Leerstellen entstehen bei der Kristallbildung selbst, werden aber auch durch nachträgliche Beeinflussungen des Kristalls beispielsweise durch Temperaturänderungen, Radioaktivität oder andere Strahlungsarten verursacht.

Durch die Leerstelle wird die perfekte Translationssymmetrie im Kristall gebrochen. Leerstellen gehören deshalb zu den Kristalldefekten (Gitterfehler). Genauer gesagt handelt es sich um Punktdefekte, weil nur punktuelle Veränderungen im Kristall auftreten (im Gegensatz zu Versetzungen, Korngrenzen und Stapelfehlern).

Da Ionenkristalle zur Ladungsneutralität gezwungen sind kann es nicht zu einem Einzeldefekt kommen. Leerstellen in Ionenkristallen können durch Schottky-Defekte (siehe auch Walter Schottky) oder Frenkel-Defekte entstehen.

Historisches

Die Existenz von Leerstellen war bis zur Mitte des 20. Jahrhunderts unbestätigt und umstritten. Erst als nach Ernest Kirkendall Veröffentlichung von 1947, die den heute nach Kirkendall benannten Effekt beschrieb, wurde die Fachwelt darauf aufmerksam, dass dieser mit Diffusionsmechanismen ohne Leerstellen nur schwer zu vereinbaren ist. Ab 1950 begann sich dann die Erkenntnis durchzusetzen, dass Leerstellen zur Erklärung der Diffusion unverzichtbar sind und dass sie eine bedeutende Rolle in Festkörpern spielen können.

Nachweis

Der Nachweis von Leerstellen und die Bestimmung ihrer Konzentration ist unter Anderem mit Hilfe der Bestimmung der Lebenszeit von Positronen möglich. Diese diffundieren durch den Kristall und suchen nach Leerstellen, in denen sie sich bedingt durch das Potential bevorzugt aufhalten. Da in solchen Leerstellen die Elektronendichte niedriger ist als im umgebenden Kristall, wird die Lebensdauer der Positronen verlängert. Mit Hilfe der Messung der emittierten Strahlung kann also der Ort der Leerstelle bestimmt und durch die Lebensdauermessung die Größe der Leerstelle abgeschätzt werden. Eine weitere sehr weit verbreitete Methode stellt die Ätzungsmethode da. Dabei wird das Schliffbild eines Kristalls geätzt und die Versetzungen treten an der Oberfläche als charakteristische Lücken auf. Da sich, je nach Ebene auf die die Ätzung angewandt wird, unterschiedlich geformte Lücken ergeben, kann man des Weiteren anhand dieses Verfahrens die Orientierung des Kristalls feststellen.