晶体_pptpptx

1、 在实际晶体中，由于原子（或离子、分子）的在实际晶体中，由于原子（或离子、分子）的 热运动，以及晶体的形成条件、冷热加工过程和其热运动，以及晶体的形成条件、冷热加工过程和其 它辐射、杂质等因素的影响，实际晶体中原子的排它辐射、杂质等因素的影响，实际晶体中原子的排 列不可能那样规则、完整，常存在各列不可能那样规则、完整，常存在各 种偏离理想种偏离理想 结构的情况，即晶体缺陷。结构的情况，即晶体缺陷。适量的某些点缺陷的存适量的某些点缺陷的存 在可以大大增强半导体材料的导电性和发光材料的在可以大大增强半导体材料的导电性和发光材料的 发光性，起到有益的作用发光性，起到有益的作用;而位错缺陷的存在，会而

2、位错缺陷的存在，会 使材料易于断裂，比近于没有晶格缺陷的晶体的抗使材料易于断裂，比近于没有晶格缺陷的晶体的抗 拉强度，降低至几十分之一。拉强度，降低至几十分之一。因此，研究晶体缺陷因此，研究晶体缺陷 具有重要的理论与实际意义。具有重要的理论与实际意义。 Schottky Schottky 缺陷（肖特基缺陷）缺陷（肖特基缺陷） Frenkel Frenkel 缺陷（缺陷（弗仑克尔弗仑克尔缺陷）缺陷） 有序合金中的错位有序合金中的错位 化学缺陷化学缺陷 置换式置换式 填隙式填隙式 本征缺本征缺 陷陷 1.1 1.1 弗仑克尔缺陷（弗仑克尔缺陷（Frenkel defectFrenkel defec

3、t） 金属和离子晶体中都会由于热运动的能量涨 落，使原子或离子脱离格点进入晶体中的间隙位 置，从而同时出现空位和填隙原子（离子）。这 种成对的空位和填隙原子称为弗仑克尔缺陷弗仑克尔缺陷。 在离子晶体中，正、负离子都可以各自形 成“空穴填隙离子对”（弗仑克尔缺陷）。 Frenkel 缺陷（空位缺陷（空位-间隙缺陷）间隙缺陷） 1.2 肖特基缺陷（Schottky defect）。 在一定温度，晶体中原子由于热涨落获得足够能量， 离开格点位置，迁移至晶体表面，于是在晶体中出现不被 原子占据的空格点，称为空位空位，也称肖特基缺陷肖特基缺陷。 肖特基缺陷是最表面的原子位移到一个新的位置， 晶体内不伴随

4、填隙原子产生。因此产生肖特基缺陷时， 伴随表面原子的增多，晶体的质量密度会有所减小。 注意 形成填隙原子时，原子挤入间隙位置所需要的能量 比产生肖特基空位所需能量大，因此当温度不太高时， 肖特基缺陷的数目要比弗仑克尔缺陷的数目大得多。 Schottky 缺陷（空位缺陷）缺陷（空位缺陷） 有序合金中的错位有序合金中的错位 化学缺陷化学缺陷 置换式置换式 填隙式填隙式 正离子正离子 负离子负离子 离子晶体中的点缺陷离子晶体中的点缺陷 1-大的置换原子 4-复合空位 2-肖脱基空位 5-弗兰克尔空位 3-异类间隙原子 6-小的置换原子 2.2.2 2.2.2 线缺陷（位错）线缺陷（位错） 位错是晶体

5、中已滑移区和未滑移区的交线，位错线并不是位错是晶体中已滑移区和未滑移区的交线，位错线并不是 几何学所定义的线，从微观看来，它是有一定宽度的管道。几何学所定义的线，从微观看来，它是有一定宽度的管道。 人们是从研究晶体的塑性变形中才认识到晶体中存在着位人们是从研究晶体的塑性变形中才认识到晶体中存在着位 错。位错对晶体的强度与断裂等力学性能起着决定性的作用。错。位错对晶体的强度与断裂等力学性能起着决定性的作用。 同时，位错对晶体的扩散与相变等过程也有一定的影响。同时，位错对晶体的扩散与相变等过程也有一定的影响。 1. 1. 位错的类型位错的类型 位错位错 刃位错刃位错 螺位错螺位错 当晶体内沿着某一

6、条线附近的原子排列发生畸变，破坏了当晶体内沿着某一条线附近的原子排列发生畸变，破坏了 晶格周期性时就形成了晶格周期性时就形成了线缺陷线缺陷。线缺陷就是。线缺陷就是“位错位错”。 晶体中已滑移区与未滑移区的边界线（即位错线）晶体中已滑移区与未滑移区的边界线（即位错线） 若垂直于若垂直于滑移方向滑移方向，则会存在一多余半排原子面，则会存在一多余半排原子面， 它象一把刀刃插入晶体中，使此处上下两部分晶体它象一把刀刃插入晶体中，使此处上下两部分晶体 产生原子错排，这种晶体缺陷称为刃位错。多余半产生原子错排，这种晶体缺陷称为刃位错。多余半 排原子面在滑移面上方的称正刃型位错，记为排原子面在滑移面上方的称

7、正刃型位错，记为“”； 相反，半排原子面在滑移面下方的称负刃型位错，相反，半排原子面在滑移面下方的称负刃型位错， 记为记为“” 刃位错（刃位错（edge dislocation）：）： 刃位错刃位错 刃位错的运动刃位错的运动 （a a）正攀移）正攀移 （半原子面缩短）（半原子面缩短） (b)(b)未攀移未攀移 （c c）负攀移）负攀移 （半原子面伸长）（半原子面伸长） 位错攀移在低温下是难以进行的，只有在高温下才可能发生。位错攀移在低温下是难以进行的，只有在高温下才可能发生。 B C 下图下图 螺位错（螺位错（screw dislocationscrew dislocation） 假定在一块简

8、单立方晶体中，沿某一晶面切一刀至假定在一块简单立方晶体中，沿某一晶面切一刀至BCBC处，处， 然后在晶体的右侧上部施加一切应力，然后在晶体的右侧上部施加一切应力， 使右端上下两部分晶体相对滑移一个原子间距，由于使右端上下两部分晶体相对滑移一个原子间距，由于BCBC线左边晶体未线左边晶体未 发生滑移，于是出现了已滑移区与未滑移区的边界发生滑移，于是出现了已滑移区与未滑移区的边界BC.BC.从俯视角度看，从俯视角度看， 在滑移区上下两层原子发生了错动，晶体点阵畸变最严重的区域内的在滑移区上下两层原子发生了错动，晶体点阵畸变最严重的区域内的 两层原子平面变成螺旋面。畸变区的尺寸与长度相比小得多，在这

9、畸两层原子平面变成螺旋面。畸变区的尺寸与长度相比小得多，在这畸 变区范围内称为螺型位错，已滑移区和未滑移区的交线变区范围内称为螺型位错，已滑移区和未滑移区的交线BCBC称之为螺型称之为螺型 位错线。位错线。 螺位错的运动螺位错的运动 螺位错与刃位错的主要区别：螺位错与刃位错的主要区别： 螺型位错线与晶体滑移方向平行，且位错线的移动方向与螺型位错线与晶体滑移方向平行，且位错线的移动方向与 晶体滑移方向互相垂直。晶体滑移方向互相垂直。 纯螺型位错的滑移面不是唯一的。凡是包含螺型位错线纯螺型位错的滑移面不是唯一的。凡是包含螺型位错线 的平面都可以作为它的滑移面。但实际上，滑移通常是的平面都可以作为它

10、的滑移面。但实际上，滑移通常是 在那些原子在那些原子密排面密排面上进行。上进行。 刃型位错线与晶体滑移方向垂直，位错线的移动方向与刃型位错线与晶体滑移方向垂直，位错线的移动方向与 晶体滑移方向互相平行。晶体滑移方向互相平行。 刃型位错滑移面只有一个。刃型位错滑移面只有一个。 混合位错混合位错 混合位错的滑移混合位错的滑移 2.2.3 2.2.3 面缺陷面缺陷 面缺陷面缺陷是发生在晶格二维平面上的缺陷，其特征是发生在晶格二维平面上的缺陷，其特征 是在一个方向上的尺寸很小，而另两个方向上的是在一个方向上的尺寸很小，而另两个方向上的 尺寸很大，也可称二维缺陷。尺寸很大，也可称二维缺陷。 面缺陷面缺陷

11、 晶界晶界 亚晶界亚晶界 孪晶界孪晶界 相界相界 堆垛层错堆垛层错 1. 面缺陷的分类面缺陷的分类 材料的表面是最显而易见的面缺材料的表面是最显而易见的面缺 陷。在垂直于表面方向上，平移陷。在垂直于表面方向上，平移 对称性被破坏了。由于材料是通对称性被破坏了。由于材料是通 过表面与环境及它其材料发生相过表面与环境及它其材料发生相 互作用，所以表面的存在对材料互作用，所以表面的存在对材料 的物理化学性能有重要的影响。的物理化学性能有重要的影响。 常见的氧化、腐蚀、磨损等自然常见的氧化、腐蚀、磨损等自然 现象都与表面状态有关。现象都与表面状态有关。 晶界是不同取向的晶粒之间的界面，由于晶界原子需晶

12、界是不同取向的晶粒之间的界面，由于晶界原子需 要同时适应相邻两个晶粒的位向，就必须从一种晶粒要同时适应相邻两个晶粒的位向，就必须从一种晶粒 位向逐步过渡到另一种晶粒位向，成为不同晶粒之间位向逐步过渡到另一种晶粒位向，成为不同晶粒之间 的过渡层，因而晶界上的原子多处于无规则状态或两的过渡层，因而晶界上的原子多处于无规则状态或两 种晶粒位向的折衷位置上。种晶粒位向的折衷位置上。 晶界晶界( ( grain boundaries ) ) 多多 晶晶 体体 结结 构构 示示 意意 图图 钢中的晶粒（其中黑线为晶界）钢中的晶粒（其中黑线为晶界） 图图2-50 纯铁的微观结构照片纯铁的微观结构照片 亚晶界

13、（亚晶界（sub-boundaries） 晶粒内部也不是理想晶体，而晶粒内部也不是理想晶体，而 是由位向差很小的称为嵌镶块是由位向差很小的称为嵌镶块 的小块所组成，称为亚晶粒。的小块所组成，称为亚晶粒。 亚晶粒的交界称为亚晶界。亚晶粒的交界称为亚晶界。 晶粒之间位向差较大，亚晶粒晶粒之间位向差较大，亚晶粒 之间位向差较小。大于之间位向差较小。大于1010 1515的晶界称为大角度晶界。的晶界称为大角度晶界。 各晶粒之间的界面属于大角度各晶粒之间的界面属于大角度 晶界。亚晶界是小角度晶界，晶界。亚晶界是小角度晶界， 位向差小于位向差小于1 ，其结构可以 ，其结构可以 看成是位错的规则排列。看成是

14、位错的规则排列。 小角倾侧晶界（由一列刃型位错构成）小角倾侧晶界（由一列刃型位错构成） 孪晶是指两个晶体孪晶是指两个晶体( (或一个晶体的两部分或一个晶体的两部分) )沿一个沿一个 公共晶面构成镜面对称的位向关系，这两个晶体公共晶面构成镜面对称的位向关系，这两个晶体 就称为就称为“孪晶孪晶(twin)(twin)”，此公共晶面就称孪晶面，此公共晶面就称孪晶面 。 孪晶界孪晶界( ( twin boundaries ) ) 共格孪晶界共格孪晶界 半共格孪晶界半共格孪晶界 界面共有原子界面共有原子 共格孪晶界就是在孪晶面上的原子同时位于两个晶体点阵的共格孪晶界就是在孪晶面上的原子同时位于两个晶体点

15、阵的 结点上，为两个晶体所共有，属于自然地完全匹配是无畸变结点上，为两个晶体所共有，属于自然地完全匹配是无畸变 的完全共格晶面，它的界面能很低，约为普通晶界界面能的的完全共格晶面，它的界面能很低，约为普通晶界界面能的 1 11010，很稳定，在显微镜下呈直线，这种孪晶界较为常见，很稳定，在显微镜下呈直线，这种孪晶界较为常见 半共格界面半共格界面 若两相的点阵常数差别较大若两相的点阵常数差别较大, ,界面就难于保持完全的共格界面就难于保持完全的共格. .即界即界 面两侧的晶面不能一一对应面两侧的晶面不能一一对应, ,于是界面上便形成了一组刃型位于是界面上便形成了一组刃型位 错来弥补原子间距的差别

16、错来弥补原子间距的差别, ,这样可以使界面的弹性应变能降低这样可以使界面的弹性应变能降低. . 并使共格性得以尽量维持。由于这种界面是由共格区和非共格并使共格性得以尽量维持。由于这种界面是由共格区和非共格 区相间组成的区相间组成的, ,因此称因此称半共格界面或部分共格界面半共格界面或部分共格界面。 这种孪晶界的能量相对较高，约为普通晶界的这种孪晶界的能量相对较高，约为普通晶界的1 12 2。 孪晶界孪晶界 相界相界(phase boundaries) 具有不同结构的两相之间的分界面称为具有不同结构的两相之间的分界面称为“相界相界 (phase boundary)(phase boundary)

17、”。按结构特点，相界面可分为。按结构特点，相界面可分为 共格相界共格相界、半共格相界半共格相界和和非共格相界非共格相界三种类型。三种类型。 共格相界共格相界(coherent phase boundary)(coherent phase boundary) 所谓所谓“共格共格”是指界面上的原子同时位于两相晶格的结点上，是指界面上的原子同时位于两相晶格的结点上， 即两相的晶格是彼此衔接的，界面上的原子为两者共有。即两相的晶格是彼此衔接的，界面上的原子为两者共有。 半共格相界半共格相界 (Simi-coherent phase boundary)(Simi-coherent phase bound

18、ary) 两相邻晶体在相界面处的晶面间距相差较大，则在相界面上两相邻晶体在相界面处的晶面间距相差较大，则在相界面上 不可能做到完全的一一对应，于是在界面上将产生一些位错，不可能做到完全的一一对应，于是在界面上将产生一些位错， 以降低界面的弹性应变能，这时界面上两相原子部分地保持以降低界面的弹性应变能，这时界面上两相原子部分地保持 匹配，这样的界面称为半共格界面或部分共格界面。匹配，这样的界面称为半共格界面或部分共格界面。 非共格相界非共格相界(incoherent phase boundary) 当两相在相界面处的原子排列相差很大时，只能形成非共当两相在相界面处的原子排列相差很大时，只能形成非共 格界面。这种相界与大角度晶界相似，可看成是由原子不格界面。这种相界与大角度晶界相似，