第三章 晶体结构缺陷.

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1、第三章第三章 晶体结构缺陷晶体结构缺陷 主讲人:赵跃智n重点重点：重点为热缺陷的基本类型，热缺陷形成反应式的写法，热缺陷平衡浓度的计算，固溶体形成反应式及化学式的写法，固溶体缺陷浓度的计算，非化学计量化合物形成反应式的写法，缺陷浓度与氧分压的关系，刃型位错的滑移和攀移。n难点：难点：固溶体形成反应式及化学式的写法，非化学计量化合物形成反应式的写法。缺陷的含义缺陷的含义：通常把晶体点阵结构中：通常把晶体点阵结构中周期性势场的周期性势场的畸变畸变称为晶体的称为晶体的结构缺陷结构缺陷。 理想晶体理想晶体：质点严格按照空间点阵排列。：质点严格按照空间点阵排列。 实际晶体实际晶体：存在着各种各样的结构的

2、不完整性。：存在着各种各样的结构的不完整性。缺陷对材料性能的影响：缺陷对材料性能的影响： 材料的材料的强化强化-铁中渗碳为钢铁中渗碳为钢 陶瓷材料的陶瓷材料的增韧增韧 硅半导体硅半导体导电导电 白宝石（白宝石（Al2O3)中掺入中掺入Cr或或Co为红宝石为红宝石 和蓝宝石等和蓝宝石等发光发光第三章第三章 晶体结构缺陷晶体结构缺陷主要内容主要内容点缺陷中，点缺陷中，热缺陷热缺陷点缺陷中，点缺陷中，杂质缺陷杂质缺陷点缺陷中，点缺陷中，非化学计量缺陷非化学计量缺陷线缺陷线缺陷白宝石白宝石红宝石红宝石蓝宝石蓝宝石3.1 3.1 晶体结构缺陷的类型晶体结构缺陷的类型 缺陷分类缺陷分类线缺陷线缺陷面缺陷面

3、缺陷体缺陷体缺陷热缺陷热缺陷杂质缺陷杂质缺陷非化学计非化学计量缺陷量缺陷几何形态几何形态形成原因形成原因点缺陷点缺陷1.1.点缺陷（零维缺陷）点缺陷（零维缺陷） 缺陷尺寸缺陷尺寸处于原子大小的数量级上处于原子大小的数量级上，即，即三维方向上缺陷的尺寸都很小。三维方向上缺陷的尺寸都很小。 点缺陷与材料的电学性质、光学性质、点缺陷与材料的电学性质、光学性质、材料的高温动力学过程等有关。材料的高温动力学过程等有关。2.2.线缺陷（一维缺陷）线缺陷（一维缺陷） 指在一维方向上偏离理想晶体中的周期指在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列所产生的缺陷，即缺陷尺寸在性、规则性排列所产生的缺陷，即缺陷

4、尺寸在一维方向较长，另外二维方向上很短。如各种一维方向较长，另外二维方向上很短。如各种位错（位错（dislocationdislocation），），如如图图4-14-1所示。所示。 线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性密切相关性密切相关。 图图4-1 (a) 刃位错刃位错(b)螺位错螺位错 (a) (b)3.3.面缺陷面缺陷 面缺陷又称为二维缺陷，是指在二维方向面缺陷又称为二维缺陷，是指在二维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列而产上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列而产生的缺陷，即缺陷尺寸在二维方向上延伸，在生的缺陷，即缺陷尺寸在二维方向上延伸，在第三

5、维方向上很小。如第三维方向上很小。如晶界、表面、堆积层错、晶界、表面、堆积层错、镶嵌结构镶嵌结构等。等。 面缺陷的取向及分布与材料的断裂韧性面缺陷的取向及分布与材料的断裂韧性有关。有关。 图图4-2面缺陷晶界面缺陷晶界 图图4-3 面缺陷堆积层错面缺陷堆积层错面心立方晶体中的抽出型层错面心立方晶体中的抽出型层错(a)和插入型层错和插入型层错(b)图图44面缺陷共格晶面面缺陷共格晶面面心立方晶体中面心立方晶体中111面反映孪晶面反映孪晶3.2.3.2.点缺陷（零维缺陷）点缺陷（零维缺陷） 一、根据其对理想晶格偏离的几何位置及成分一、根据其对理想晶格偏离的几何位置及成分来划分：来划分：包括：包括：

6、空位空位（vacancyvacancy）、）、 间隙质点间隙质点（interstitial particleinterstitial particle）、）、 杂质质点杂质质点（foreign particleforeign particle）。）。 如如图图4-54-5所示。所示。 点缺陷与材料的电学性质、光学性质、材料的高点缺陷与材料的电学性质、光学性质、材料的高温动力学过程等有关。温动力学过程等有关。图图4-5 4-5 晶体中的点缺陷晶体中的点缺陷 (a)(a)空位空位(b)(b)杂质质点杂质质点(c)间隙质点间隙质点二、按缺陷产生的原因分类二、按缺陷产生的原因分类 1. 1. 热缺陷热

7、缺陷 2. 2. 杂质缺陷杂质缺陷 3. 3. 非化学计量缺陷非化学计量缺陷 4. 4. 其它原因，如电荷缺陷，辐照缺陷等其它原因，如电荷缺陷，辐照缺陷等1.热缺陷热缺陷 定义定义: :热缺陷亦称为热缺陷亦称为本征缺陷本征缺陷，是指由热起伏的，是指由热起伏的原因所产生的空位或间隙质点（原子或离子）。原因所产生的空位或间隙质点（原子或离子）。类型类型: :弗仑克尔缺陷（弗仑克尔缺陷（Frenkel defectFrenkel defect）和肖特）和肖特基缺陷（基缺陷（Schottky defectSchottky defect）热缺陷浓度与温度的关系热缺陷浓度与温度的关系: :温度升高时，热缺

8、陷温度升高时，热缺陷浓度增加浓度增加基本概念基本概念n弗伦克尔缺陷：弗伦克尔缺陷：能量足够大的质点离开正常格点后挤能量足够大的质点离开正常格点后挤入晶格间隙位置，形成间隙质点，而原来位置上形成入晶格间隙位置，形成间隙质点，而原来位置上形成空位。空位。n特点：特点：空位和间隙质点成对出现，晶体体积不变。空位和间隙质点成对出现，晶体体积不变。n肖特基缺陷：肖特基缺陷：正常格点上的质点获得能量后离开平衡正常格点上的质点获得能量后离开平衡位置迁移到新表面位置，在晶体表面形成新的一层，位置迁移到新表面位置，在晶体表面形成新的一层，同时在晶体内部正常格点上留下空位。同时在晶体内部正常格点上留下空位。n特点

9、：特点：正负离子空位成对出现，晶体体积增加。正负离子空位成对出现，晶体体积增加。图图4-6 热缺陷产生示意图热缺陷产生示意图（a）弗仑克尔缺陷的形成）弗仑克尔缺陷的形成（空位与间隙质点成对出现）（空位与间隙质点成对出现）（b）单质中的肖特基缺陷的）单质中的肖特基缺陷的形成形成2.杂质缺陷杂质缺陷 定义定义: :亦称为组成缺陷，是由外加杂质的引入亦称为组成缺陷，是由外加杂质的引入所产生的缺陷。所产生的缺陷。特征特征: :如果杂质的含量在固溶体的溶解度范围如果杂质的含量在固溶体的溶解度范围内，则杂质缺陷的浓度与温度无关。内，则杂质缺陷的浓度与温度无关。杂质缺陷对材料性能的影响杂质缺陷对材料性能的影

10、响3.非化学计量缺陷非化学计量缺陷 定义定义: :指组成上偏离化学中的定比定律所形成的指组成上偏离化学中的定比定律所形成的缺陷。它是由基质晶体与介质中的某些组分发缺陷。它是由基质晶体与介质中的某些组分发生交换而产生。如生交换而产生。如FeFe1 1x xO O、ZnZn1+x1+xO O等晶体中的等晶体中的缺陷。缺陷。特点特点: :其化学组成随周围其化学组成随周围气氛的性质气氛的性质及其及其分压大分压大小小而变化。是一种半导体材料。而变化。是一种半导体材料。4. 4. 其它原因，如电荷缺陷，辐照缺其它原因，如电荷缺陷，辐照缺陷等陷等3.3 3.3 点缺陷的表示方法点缺陷的表示方法 本节介绍以下

11、内容：本节介绍以下内容：一、点缺陷的符号表征：一、点缺陷的符号表征：Kroger-VinkKroger-Vink符号符号 二、缺陷反应方程式的写法二、缺陷反应方程式的写法一、点缺陷的符号表征一、点缺陷的符号表征:Kroger-Vink:Kroger-Vink符号符号以以MXMX型化合物为例：型化合物为例： 1.1.空位空位（vacancyvacancy）用）用V V来表示，符号中的右下标表示缺陷所来表示，符号中的右下标表示缺陷所在位置，在位置，V VM M含义即含义即M M原子位置是空的。原子位置是空的。2.2.间隙原子间隙原子（interstitialinterstitial）亦称为填隙原子