固体物理第课晶体缺陷PPT学习教案

1、会计学1固体物理第课晶体缺陷固体物理第课晶体缺陷4.1 4.1 晶体缺陷的分类晶体缺陷的分类微缺陷：漩涡缺陷物体缺陷：包裹体、夹杂界面缺陷：堆垛层错、晶线缺陷：位错 点缺陷)杂质原子、色心(化学结构缺陷)空位、间隙原子(本征点缺陷：按缺陷的几何构型分：第1页/共47页4.2 点缺陷点缺陷第2页/共47页1. 1. 热缺陷：热缺陷：由于热振动的能量起伏离开晶格位置由于热振动的能量起伏离开晶格位置(1)夫伦克耳缺陷：因为热涨落由格点跳进间隙位置，晶体中空位和间隙原子成对出现。(2)肖特基缺陷：邻近表面的原子由于热涨落跳进晶体表面，晶体内部留有空位（容易产生）。(3)反向过程：上述过程反向。(4)间

2、隙原子：夫伦克尔缺陷和反向肖特基缺陷的组合。由于形成间隙原子要做功,因此一般形成肖特基缺陷的可能性大。缺陷演示缺陷演示第3页/共47页热缺陷的统计理论热缺陷的统计理论达到热力学平衡状态时，晶体的自由能最小。度度的的物物理理量量熵熵，描描述述宏宏观观系系统统无无序序绝绝对对温温度度晶晶体体的的内内能能自自由由能能 STUFTSUF自由能：热力学中描述物态的函数数数对对应应的的可可能能的的微微观观状状态态系系统统的的某某一一宏宏观观状状态态所所玻玻尔尔兹兹曼曼熵熵公公式式： lnBkS第4页/共47页第5页/共47页以肖特基缺陷为例：以肖特基缺陷为例：设晶体中有N+n个格点，n个空位，每个空位的形

3、成能为u1。则：!)!(ln !)!(ln !)!( 11nNnNTknuFSTUFTSUFnNnNkSnNnNCnNnuUBBnnN系统自由能的改变导致熵的增加量的排列方式为个格点，因而N个原子整个晶体包含，其内能增加晶体中存在n个空位时第6页/共47页TkuTkuBTBBNeenNnnnNTkunF/111)(0)(ln0 ：晶体中的空位数为于是有与n有关，平衡条件，且只有F根据自由能取极小值的 )( ln)ln(x!d 斯特令公式斯特令公式时：时：xdxx )!( !nmnmCnm 第7页/共47页2. 杂质原子杂质原子(1) 替代式杂质 容易产生（E增加小，组态熵S的变化S相当大，引起

4、自由能降低。）(2) 间隙式杂质（ E和S变化相当大）溶剂原子 溶质原子 弹性畸变中心间隙原子很小第8页/共47页杂质原子的作用杂质原子的作用浓度/cm31019N型轻掺杂N-N重掺杂N+P型轻掺杂P-P重掺杂P+第9页/共47页第10页/共47页3. 辐照缺陷辐照缺陷 1.5 Mev中子 撞击晶格中的原子，形成初级原子，能量为105 eV（铜），假设初级原子在进一步撞击其它原子时，每个原子的位移能为25eV，则能够撞出4000个铜原子。 快中子累积强度1023/m2 撞出的铜原子数约为 41028/m3，约是固体中铜原子的 1% 严重空洞，大小约为100第11页/共47页4. 4. 色心：能

5、吸收可见光的点缺陷色心：能吸收可见光的点缺陷第12页/共47页卤卤 化化 碱碱 晶晶 体体 的的 F 带带返回第13页/共47页返回 F F心模型心模型第14页/共47页F F心的电子能态心的电子能态电子能态可用类氢模型处理，F带的吸收是由于电子从基态1s到第一激发态2P 态的跃迁形成的。第一激发态2PF吸收基态1S第15页/共47页第16页/共47页作业作业1)2(TkWBBeNn第17页/共47页4.3 晶体中的扩散晶体中的扩散扩散是通过点缺陷的迁移来实现的 基基质质原原子子自自扩扩散散外外来来杂杂质质原原子子合合金金扩扩散散扩扩散散 1. 扩散的宏观规律(1) 费克第一定律33222mo

6、l/m /m ),(/m mol/m /m 个。：原子浓度，。快慢的量：扩散系数，反映扩散物质的量。个通过单位面积的扩散：扩散流，单位时间内tzyxnnSDSSJnDJ原子在晶体中迁移过程，是热缺陷的重要原因。第18页/共47页kznjynixngradnnnkzjyixnDJ ：浓浓度度梯梯度度。：哈哈密密尔尔顿顿算算子子。 )(0 0tn 洞洞有有汇汇有有源源：扩扩散散流流的的散散度度。：扩扩散散物物质质的的连连续续性性方方程程 JJzJyJxJJdivJJJzyx(2) 费克第二定律费克第二定律扩散流的方向和浓度梯度的方向相反第19页/共47页边界条件：N(0,t)=N, N( ,t)=

7、0 初始条件：N(x,0)=04exp),(2DtxDtQtxN第20页/共47页)(022222222)(tn TkBeDDznynxnnnDnDJ在一定范围内：第21页/共47页2 扩散的微观机制扩散的微观机制(1) 空位机制（演示）(2) 间隙机制（演示）(3) 复合机制（演示）(4) 易位机制（演示）返回第22页/共47页4. 易位机制 2. 间隙机制扩散的微观机制（图）扩散的微观机制（图）1. 空位机制4. 易位机制 3. 复合机制 2. 间隙机制第23页/共47页3 点缺陷的迁移率点缺陷的迁移率振动频率和周期。分别是空位近邻原子的和 由上式可知：1010/10/1011/10111

8、111 veevpePTkETkETkEBBB第24页/共47页2：间隙原子在某个间隙位置上的平均停留时间。20：振动频率 20：振动周期，201/ 20TkEBeE/22 玻尔兹曼统计：玻尔兹曼统计：势垒高度：势垒高度对于间隙原子，可用类似方法求得。P2：间隙原子的迁移率，即指该原子在单位时间内从一个间隙位置跳到相邻间隙位置的几率 TkETkEBBeeP/202/20222 间隙原子：间隙原子：221P 第25页/共47页4扩散系数和温度的关系扩散系数和温度的关系扩散运动是粒子的布朗运动。扩散运动是粒子的布朗运动。 时间时间：一次布朗行程的平均：一次布朗行程的平均：布朗行程的方均值：布朗行程

9、的方均值布朗运动：布朗运动： 22 21llD1122 nnN，nnNnNnaal才靠近扩散原子，因此时间间隔n步，经历nN即空位平均跳跃位的几率为在扩散原子附近出现空是晶格常数空位机制：第26页/共47页TkEuTkEuBBeaDeaD/ )(2022/ )(102122112121 间隙机制：间隙机制：空位机制：空位机制：直线的斜率确定过满足线性关系，可以通和：激活能：常数TDTkDDDeDDBTkB1ln 1lnln 00/0TkEuTkETkuBBBeaeeaPnNnannNaD/ )(102/10/21212111112121 2121 第27页/共47页4.4 离子晶体的点缺陷及导

10、电性离子晶体的点缺陷及导电性E无外场E有外场间隙离子的势垒间隙离子的势垒( (正负离子的差别正负离子的差别) )2(10)2(10TkeVaETkeVaEBBePeP右左)()(20爱因斯坦关系DTkeVeaTkevBVTkEBdB在室温k时，VT为0.026V，即第28页/共47页4.5 位错位错范性形变: 应力超过弹性极限后,晶体发生的永久形变. 1950 滑移现象（示意图）沿密勒指数较低面，FCC111,BCC110112123沿原子最密排方向，FCC,BCC（1）刃型位错 （示意图）特点：位错线 滑移矢量b. 运动：(演示)(2) 螺型位错 （示意图）特点：位错线 / 滑移矢量b. 运

11、动：第29页/共47页滑滑 移移 示示 意意 图图返回滑移面：密勒指数比较低的晶面滑移方向：原子的最密排方向第30页/共47页刃刃 型型 位位 错错 示示 意意 图图 返回滑移面：ABCD晶面滑移方向：AD方向刃型位错 “”位错线)()(衡距离衡距离滑移方向的原子间的平滑移方向的原子间的平为为方向沿滑移方向，大小方向沿滑移方向，大小：伯格斯矢量伯格斯矢量滑移矢量滑移矢量b第31页/共47页刃刃 型型 位位 错错 的的 运运 动动返回滑移运动：位错线移动方向、外界切应力方向和滑移矢量方向一致第32页/共47页第33页/共47页螺螺 型型 位位 错错 示示 意意 图图返回滑移运动：滑移方向/外界切应力方向滑移方向位错线移动方向位错线滑移方向滑移矢量位错线移动方向位错线可以在以b为轴的任意圆柱面内移动第34页/共47页第35页/共47页第36页/共47页4.6 晶体中的其它缺陷晶体中的其它缺陷1. 堆垛层错 （示意图）(1) 抽出型层错（演示）(2) 插入型层错范 （演示）2. 小角晶界 （示意图） （演示）3. 体缺陷：包裹体4. 微缺陷：漩涡缺陷（硅、GaAs）第37页/共47页第38页/共47页第39页/共47页堆堆 垛垛 层层 错错 示示 意意 图图返回抽出型层错插入型层错第40页/共47页原子铺排方式：密排