固体物理学_晶体缺陷

1、第第 一一 节节 晶体缺陷的基本类型晶体缺陷的基本类型7.1.1 7.1.1 点缺陷点缺陷7.1.2 7.1.2 线缺陷线缺陷7.1.3 7.1.3 面缺陷面缺陷本节主要内容：本节主要内容：晶体的缺陷晶体的缺陷化学缺陷：化学缺陷：没有杂质的具有理想的化学配比没有杂质的具有理想的化学配比的晶体中的缺陷，如空位，填隙的晶体中的缺陷，如空位，填隙原子，位错。原子，位错。由于掺入杂质或同位素，或者化学由于掺入杂质或同位素，或者化学配比偏离理想情况的化合物晶体中配比偏离理想情况的化合物晶体中的缺陷，如杂质，色心等。的缺陷，如杂质，色心等。结构缺陷：结构缺陷： 晶体缺陷晶体缺陷（晶格的不完整性）（晶格的不

2、完整性）：晶体中任何对完整周期性：晶体中任何对完整周期性结构的偏离就是晶体的缺陷。结构的偏离就是晶体的缺陷。 点缺陷：它是在格点附近一个或几个晶格常量范围内的一点缺陷：它是在格点附近一个或几个晶格常量范围内的一种晶格缺陷，如空位、填隙原子、杂质等。种晶格缺陷，如空位、填隙原子、杂质等。 由于空位和填隙原子与温度有直接的关系，或者说与原子由于空位和填隙原子与温度有直接的关系，或者说与原子的热振动有关，因此称他们为热缺陷。的热振动有关，因此称他们为热缺陷。常见的热缺陷常见的热缺陷弗仑克尔缺陷弗仑克尔缺陷缺陷分类（按缺陷的几何形状和涉及的范围）：缺陷分类（按缺陷的几何形状和涉及的范围）：点缺陷、线缺

3、陷、面缺陷点缺陷、线缺陷、面缺陷7.1.1 点缺陷7.1 晶体缺陷的基本类型肖特基缺陷肖特基缺陷弗仑克尔缺陷和肖特基缺陷 当晶格中的原子脱离格点后，移到间隙位置形成填隙原当晶格中的原子脱离格点后，移到间隙位置形成填隙原子时，在原来的格点位置处产生一个空位，填隙原子和空位成子时，在原来的格点位置处产生一个空位，填隙原子和空位成对出现，这种缺陷称为对出现，这种缺陷称为弗仑克尔缺陷弗仑克尔缺陷。弗仑克尔缺陷弗仑克尔缺陷 当晶体中的原子脱离格点位置后不在晶体内部形成填隙原当晶体中的原子脱离格点位置后不在晶体内部形成填隙原子，而是占据晶体表面的一个正常位置，并在原来的格点位置子，而是占据晶体表面的一个正

4、常位置，并在原来的格点位置产生一个空位，产生一个空位，这种缺陷称为这种缺陷称为肖特基缺陷肖特基缺陷。肖特基缺陷肖特基缺陷 构成填隙原子的缺陷时，必须使原子挤入晶格的间隙位构成填隙原子的缺陷时，必须使原子挤入晶格的间隙位置，所需的能量要比造成空位的能量大些，所以对于大多数的置，所需的能量要比造成空位的能量大些，所以对于大多数的情形，特别是在温度不太高时，肖特基缺陷存在的可能性大于情形，特别是在温度不太高时，肖特基缺陷存在的可能性大于弗仑克尔缺陷。弗仑克尔缺陷。杂质原子 在材料制备中，有控制地在晶体中引入杂质原子，若杂质在材料制备中，有控制地在晶体中引入杂质原子，若杂质原子取代基质原子而占据格点位

5、置，则成为原子取代基质原子而占据格点位置，则成为替代式杂质替代式杂质。 当外来的杂质原子比晶体本身的原子小时，这些比较小的当外来的杂质原子比晶体本身的原子小时，这些比较小的外来原子很可能存在于间隙位置，称它们为外来原子很可能存在于间隙位置，称它们为填隙式杂质填隙式杂质。填隙式杂质的引入往往使晶体的晶格常量增大。色心能吸收可见光的晶体缺陷称为能吸收可见光的晶体缺陷称为色心色心。 完善的晶体是无色透明的，众多的色心缺陷能使晶体呈完善的晶体是无色透明的，众多的色心缺陷能使晶体呈现一定颜色，典型的色心是心。现一定颜色，典型的色心是心。 把碱卤晶体在碱金属的蒸气中加热，然后使之聚冷到室温把碱卤晶体在碱金

6、属的蒸气中加热，然后使之聚冷到室温,则原来透明的晶体就出现了颜色，这个过程称为增色过程，这则原来透明的晶体就出现了颜色，这个过程称为增色过程，这些晶体在可见光区各有一个吸收带称为些晶体在可见光区各有一个吸收带称为F带，而把产生这个带带，而把产生这个带的吸收中心叫做的吸收中心叫做F心。心。极化子 电子吸引邻近的正离子，使之内移。排斥邻近的负离子，电子吸引邻近的正离子，使之内移。排斥邻近的负离子，使之外移，从而产生极化。使之外移，从而产生极化。 负离子空位和被它俘获的电子负离子空位和被它俘获的电子 电子所在处出现了趋于电子所在处出现了趋于束缚这电子的势能阱，这种束束缚这电子的势能阱，这种束缚作用称

7、为电子的缚作用称为电子的“自陷自陷”作作用。用。 产生的电子束缚态称为自陷态，同杂质所引进的局部能产生的电子束缚态称为自陷态，同杂质所引进的局部能态有区别，自陷态永远追随着电子从晶格中一处移到另一处，态有区别，自陷态永远追随着电子从晶格中一处移到另一处，这样一个携带着周围的晶格畸变而运动的电子，可看作一个准这样一个携带着周围的晶格畸变而运动的电子，可看作一个准粒子粒子(电子晶格的畸变），称为电子晶格的畸变），称为极化子极化子。7.1.2 线缺陷 当晶格周期性的破坏是发生在晶体内部一条线的周围近邻，当晶格周期性的破坏是发生在晶体内部一条线的周围近邻，这就称为这就称为线缺陷线缺陷。位错就是线缺陷。

8、位错就是线缺陷。1.刃型位错刃型位错的位错线与滑移方向垂直。 设想晶体的上部沿设想晶体的上部沿ABEF平面向右推移，平面向右推移， 原来与原来与AB重合，经过这样的推压后，相对于重合，经过这样的推压后，相对于AB滑移一个原子间距滑移一个原子间距b，EF是已滑移区与未滑移区的交界线，称为是已滑移区与未滑移区的交界线，称为位错线位错线。BA ABGHEFA B b刃型位错刃型位错刃型位错刃型位错螺旋位错螺旋位错位错位错ABGHEFA B b(a)HEBBCD(b) (b)图是图是 (a)图在晶体中垂直于图在晶体中垂直于EF方向的一个原子平面的情方向的一个原子平面的情况。况。BE线以上原子向右推移一

9、个原子间距，然后上下原子对线以上原子向右推移一个原子间距，然后上下原子对齐，在齐，在EH处不能对齐，多了一排原子。处不能对齐，多了一排原子。 刃型位错的另一个特征是位错线刃型位错的另一个特征是位错线EF上带有一个多余的半上带有一个多余的半平面，即平面，即 (a)图中的图中的EFGH平面，该面在平面，该面在(b)图中只能看到图中只能看到EH这这条棱边。条棱边。 实际晶体往往是由许多块具有完整性结构实际晶体往往是由许多块具有完整性结构的小晶体组成的，这些小晶体彼此间的取向有的小晶体组成的，这些小晶体彼此间的取向有着小角倾斜，为了使结合部分的原子尽可能地着小角倾斜，为了使结合部分的原子尽可能地规则排

10、列，就得每隔一定距离多生长出一层原规则排列，就得每隔一定距离多生长出一层原子面，这些多生长出来的半截原子面的顶端原子面，这些多生长出来的半截原子面的顶端原子链就是子链就是刃型位错刃型位错。小角晶界上的刃型位错相互平行。小角晶界上的刃型位错相互平行。 bD 小角晶界上位错相隔的距离为小角晶界上位错相隔的距离为, bD b为原子间距，为原子间距， 为两部分的倾角为两部分的倾角。2.螺旋位错 如图如图(a)设想把晶体沿设想把晶体沿ABCD 平面分为上、下两部分，将晶体的上、平面分为上、下两部分，将晶体的上、下做一个位移，下做一个位移，ABCD为已滑移区，为已滑移区，AD为滑移区与未滑移区的分界线，为

11、滑移区与未滑移区的分界线，称为称为位错线位错线。AAD 螺旋位错的位错线与滑移方向平行。(b)(a) (b)图中的图中的B点是螺旋位错线点是螺旋位错线(上下方上下方向向)的露出点。晶体绕该点右旋一周，原的露出点。晶体绕该点右旋一周，原子平面上升一个台阶子平面上升一个台阶(即一个原子间距即一个原子间距)，围绕围绕螺旋位错线螺旋位错线的原子面是螺旋面。的原子面是螺旋面。1.晶粒间界 当晶格周期性的破坏是发生在晶体内部一个面的近邻，当晶格周期性的破坏是发生在晶体内部一个面的近邻，这种缺陷为这种缺陷为面缺陷面缺陷。 晶粒之间的交界称为晶粒之间的交界称为晶粒间界晶粒间界。晶粒间界内原子的排列是。晶粒间界

12、内原子的排列是无规则的。因此这种边界是无规则的。因此这种边界是面缺陷面缺陷。晶粒间界内原子排列的结。晶粒间界内原子排列的结构比较疏松，原子比较容易沿晶粒间界扩散。构比较疏松，原子比较容易沿晶粒间界扩散。7.1.3 面缺陷 BCABCABCABCA2.堆垛间界 我们知道金属晶体常采用立方密积的结构形式，而立方密我们知道金属晶体常采用立方密积的结构形式，而立方密积是原子球以三层为一组，如果把这样的一组三层记为积是原子球以三层为一组，如果把这样的一组三层记为 ABC，则晶面的排列形式为：则晶面的排列形式为： 如从某一晶面开始，晶体的两部分发生滑移，比如从某如从某一晶面开始，晶体的两部分发生滑移，比如

13、从某C晶面以后整体发生了滑移，晶面以后整体发生了滑移，B变成变成A，则晶面的排列形式变成：则晶面的排列形式变成： BACBACCABCAB加加 的的C面成为错位的面缺陷。面成为错位的面缺陷。 这一类整个晶面发生错位的缺陷称为这一类整个晶面发生错位的缺陷称为堆垛缺陷堆垛缺陷。 如果在晶体生长过程中，原来的如果在晶体生长过程中，原来的晶面丢失，于是晶晶面丢失，于是晶面的排列形式变成：面的排列形式变成： CABCBABCABC加加 的的B晶面便成为错位的晶面便成为错位的面缺陷面缺陷。 第第 二二 节节热缺陷的统计理论热缺陷的统计理论本节主要内容本节主要内容: :7.2.1 7.2.1 热缺陷的数目热

14、缺陷的数目7.2.2 7.2.2 热缺陷的运动、产生和复合热缺陷的运动、产生和复合7.2.1 热缺陷的数目 平衡状态下晶体内的热缺陷数目可以通过热力学的平衡条件平衡状态下晶体内的热缺陷数目可以通过热力学的平衡条件求得。求得。系统处于热平衡的条件是：系统的自由能系统处于热平衡的条件是：系统的自由能F最小。最小。自由能自由能F可表示成如下形式：可表示成如下形式：U是内能，是内能，S是熵，是熵，T是绝对温度。是绝对温度。由由 0 TnF可求热缺陷的数目。可求热缺陷的数目。.2 热缺陷的统计理论TSUF 首先假设晶体中仅存在空位，且空位数首先假设晶体中仅存在空位，且空位数n1比晶体的原子数比晶体的原子

15、数N小得多；小得多；s 若每形成一个空位所需要的能量为若每形成一个空位所需要的能量为u1，并且由于这并且由于这n1个空个空位的形成，晶体的熵改变量为位的形成，晶体的熵改变量为 ，则自由能的改变量为，则自由能的改变量为 另外假设空位的出现，不影响晶格的热振动状态。另外假设空位的出现，不影响晶格的热振动状态。STunF 11由统计物理可知，熵由统计物理可知，熵1.空位和填隙原子的数目WkSBln W代表相应的微观状态数，代表相应的微观状态数，kB是玻尔兹曼常量是玻尔兹曼常量。从从N个原子中取出个原子中取出n1个空位的可能方式数个空位的可能方式数!)!(!1111nnNNCWnN 由于由于n1个空位

16、的出现，熵的改变个空位的出现，熵的改变01WWW 熵熵S0是由振动状态决定的，现在由于空位的出现，原子排是由振动状态决定的，现在由于空位的出现，原子排列的可能方式增加为列的可能方式增加为W1，而每一种排列方式中，都包含了原而每一种排列方式中，都包含了原来振动所决定的微观状态数来振动所决定的微观状态数W0，所以所以!)!(!ln11BnnNNk 1BlnWk 0BBlnlnWkWk S !)!(!ln11B11nnNNTkunF 利用斯特令公式利用斯特令公式得得是是大大数数时时当当) (lnd) !ln( dxxxx !ln d)!ln( dd)d(11B11nnNTknuF 111B11dln

17、)ln(dnnnNTknu 0ln11B11 nNnTkun)F(T即即Tk/unNnB1e11 根据假设根据假设n1远小于远小于N，所以所以Tk/uNnB1e1 与空位的讨论类似，可以得出填隙原子的数目与空位的讨论类似，可以得出填隙原子的数目Tk/uNnB2e2 u2 - -形成一个填隙原子所需要的能量。形成一个填隙原子所需要的能量。 比较比较n1，n2可以看出，如果造成一个填隙原子所需要的能可以看出，如果造成一个填隙原子所需要的能量量u2比造成一个空位所需要的能量比造成一个空位所需要的能量u1大些，则填隙原子出现的大些，则填隙原子出现的可能性比空位出现的可能性小得多。可能性比空位出现的可能

18、性小得多。2. 弗仑克尔缺陷的数目 假设形成一个弗仑克尔缺陷所需的能量是假设形成一个弗仑克尔缺陷所需的能量是u( (u是将格点上是将格点上的原子移到间隙位置上所需的能量的原子移到间隙位置上所需的能量) )。假设：晶体中有假设：晶体中有N个原子，有个原子，有N个间隙位置。个间隙位置。 当晶体中存在当晶体中存在n个弗仑克尔缺陷时，晶体内能的变化为个弗仑克尔缺陷时，晶体内能的变化为nu，熵的改变与微观状态的改变有关。熵的改变与微观状态的改变有关。 从从N个原子中取出个原子中取出n个原子形成个原子形成n个空位的可能方式数目个空位的可能方式数目W和这和这n个原子在个原子在N个间隙位置上形成填隙原子的方式

19、数目个间隙位置上形成填隙原子的方式数目W分分别为：别为：!)!(!nnNNCWnN !)!(! nnNNCWnN 每一种排列都包含了原来振动所决定的微观状态数，所以每一种排列都包含了原来振动所决定的微观状态数，所以有弗仑克尔缺陷后，晶体的微观状态数目为：有弗仑克尔缺陷后，晶体的微观状态数目为：晶体熵的改变为晶体熵的改变为2B) !()!()!(!lnnnNnNNNkS 晶体自由能改变为晶体自由能改变为STnuF 020) !()!()!(!WnnNnNNNWWWW Tk/uTk/uNNNnBB22ee 0)( TnF由由可得：可得：!)!(!nnNNCWnN !)!(! nnNNCWnN 7.

20、2.2 热缺陷的运动、产生和复合 由于填隙原子和空位的无规则运动，使得晶格中格点上的由于填隙原子和空位的无规则运动，使得晶格中格点上的原子容易从一处向另一处移动。因此原子容易从一处向另一处移动。因此研究晶体中原研究晶体中原子的输运现象子的输运现象必须研究缺必须研究缺陷的运动陷的运动必须研究热缺陷的必须研究热缺陷的产生和复合过程产生和复合过程P1 - -在正常格点位置的原子成为填隙原子所需等待在正常格点位置的原子成为填隙原子所需等待的时间；的时间； P-单位时间内一个在正常格点上的原子跳到间隙位置，单位时间内一个在正常格点上的原子跳到间隙位置，成为填隙原子的概率；成为填隙原子的概率； 设晶体有设

21、晶体有N个原子构成，空位数目为个原子构成，空位数目为n1，填隙原子数目为填隙原子数目为n2 。 P1 -一个空位在单位时间内从一个格点位置跳到相邻格一个空位在单位时间内从一个格点位置跳到相邻格点位置的概率；点位置的概率； - -空位从一个格点位置跳到相邻格点位置所需等空位从一个格点位置跳到相邻格点位置所需等待的时间；待的时间；111P P2-一个填隙原子在单位时间内从一个间隙位置跳到相邻一个填隙原子在单位时间内从一个间隙位置跳到相邻间隙位置的概率；间隙位置的概率；221P - -填隙原子从一个间隙位置跳到相邻间隙位置必须等填隙原子从一个间隙位置跳到相邻间隙位置必须等待的时间；待的时间； 由于空

22、位和填隙原子的跳跃依靠的是热涨落，因此和温度由于空位和填隙原子的跳跃依靠的是热涨落，因此和温度有密切的关系。有密切的关系。我们以填隙原子为例来加以讨论。 间隙位置是填隙原子在平衡时所在间隙位置是填隙原子在平衡时所在的位置，从能量观点来看，这时填隙原的位置，从能量观点来看，这时填隙原子的能量最低，以图中能谷表示。子的能量最低，以图中能谷表示。 E2填隙原子运动势场示意图填隙原子运动势场示意图（E2是势垒的高度）是势垒的高度） 填隙原子要从一个间隙位置向另一个间隙位置运动，必须填隙原子要从一个间隙位置向另一个间隙位置运动，必须克服周围格点所造成的势垒。由于热振动能量的起伏克服周围格点所造成的势垒。

23、由于热振动能量的起伏, ,填隙原填隙原子具有一定的概率越过势垒。子具有一定的概率越过势垒。 设势垒的高度为设势垒的高度为E2 ，按玻尔兹曼统计，在温度，按玻尔兹曼统计，在温度T时粒子具有时粒子具有能量能量E2的概率与的概率与 成正比。如果填隙原子在间隙位置的热振成正比。如果填隙原子在间隙位置的热振动频率为动频率为 0202，则单位时间内填隙原子越过势垒的次数为：，则单位时间内填隙原子越过势垒的次数为：Tk/EB2e Tk/EPB2e022 填隙原子跳到相邻间隙位置所必须等待的时间为：填隙原子跳到相邻间隙位置所必须等待的时间为：221P Tk/EB2e02 Tk/EB2e102 经过上面的讨论，

24、我们可以得到如下结论：经过上面的讨论，我们可以得到如下结论：Tk/EPB1e011 Tk/ETk/EPB1B1ee11010111 下面我们来求从正常格点成为填隙原子的概率P。 根据假设晶体由根据假设晶体由N个原子构成，其中有个原子构成，其中有n1个空位，只有仍个空位，只有仍处在正常格点上的处在正常格点上的（Nn1）个原子才能形成填隙原子，个原子才能形成填隙原子，每秒所产生的填隙原子数为每秒所产生的填隙原子数为( (Nn1) )P，下面再考虑每秒复合填隙原子数。因为因为n1比比N小的多，所以小的多，所以( (Nn1) )P NP 空位数目与正常格点数之比为：空位数目与正常格点数之比为：n1/(

25、/(Nn1) ) n1/ /N，填隙原子每跳一步被复合的概率为：填隙原子每跳一步被复合的概率为：n1 1/ /N，即填隙原子每跳即填隙原子每跳N/ /n1步就被复合，步就被复合，它每跳一步所需等待的时间为它每跳一步所需等待的时间为 2，因此填隙原子的平均寿命为因此填隙原子的平均寿命为 2 N/ /n1。单位时间内填隙原子的复合概率为单位时间内填隙原子的复合概率为n1/ / 2N，每秒复合掉的填隙原子数为每秒复合掉的填隙原子数为n1n2/ / 2N。平衡时，每秒产生和复合的填隙原子数相等，平衡时，每秒产生和复合的填隙原子数相等，NnnNP212 由上式得，正常格点形成填隙原子的概率由上式得，正常

26、格点形成填隙原子的概率Tk/)uu(PB21e12 或者或者Tk/ )Euu(PB221e102 除上面讨论的填隙原子的运动外，空位也在运动，这将使除上面讨论的填隙原子的运动外，空位也在运动，这将使复合率增加。但在实际过程中，这两种运动只有一种是主要的。复合率增加。但在实际过程中，这两种运动只有一种是主要的。 因此考虑复合时，只需考虑一种缺陷在运动，另一种缺陷可相对地看作是静止的。 当空位的运动为主要时，原子脱离格点形成填隙原子的概当空位的运动为主要时，原子脱离格点形成填隙原子的概率率把下标略去，可以写成把下标略去，可以写成Tk/)Eu(PBe10 Tk/)Euu(PB121e101 式中式中

27、 0和和E的值，要看哪一种缺陷的运动为主而定。的值，要看哪一种缺陷的运动为主而定。21uuu 第三节第三节 晶体中的扩散晶体中的扩散7.3.1 7.3.1 扩散的宏观规律扩散的宏观规律本节主要内容：本节主要内容：7.3.2 7.3.2 扩散的微观机构扩散的微观机构7.3 晶体中的扩散 扩散现象的本质是粒子无规则的布朗运动。晶体中的扩散扩散现象的本质是粒子无规则的布朗运动。晶体中的扩散是指原子在晶体中的迁移过程。是指原子在晶体中的迁移过程。晶体的扩散晶体的扩散外来杂质原子在晶体中的扩散。外来杂质原子在晶体中的扩散。基质原子在晶体中的扩散，即基质原子在晶体中的扩散，即自扩散自扩散。 扩散都是通过点

28、缺陷的迁移来实现的，因而实际晶体中扩散都是通过点缺陷的迁移来实现的，因而实际晶体中点缺陷的存在是扩散现象的前提条件。点缺陷的存在是扩散现象的前提条件。7.3.1 扩散的宏观规律1.1.菲克第一定律菲克第一定律 当晶体中某种粒子的浓度不均匀时，可产生从浓度高的区当晶体中某种粒子的浓度不均匀时，可产生从浓度高的区域向浓度低的区域扩散，直到达到浓度均匀为止。域向浓度低的区域扩散，直到达到浓度均匀为止。 在扩散离子浓度不大的情况下，单位时间内通过单位面积在扩散离子浓度不大的情况下，单位时间内通过单位面积的扩散粒子的量（简称扩散流密度）：的扩散粒子的量（简称扩散流密度）：CDj D-扩散系数；扩散系数；

29、C-扩散粒子的浓度扩散粒子的浓度( (单位体积内扩散粒单位体积内扩散粒子的数目，也可以是原子数或任何其他标志物质数量的单位）子的数目，也可以是原子数或任何其他标志物质数量的单位）（D D和和 的单位也随之改变）；的单位也随之改变）；j菲克第一定律菲克第一定律式中负号表示粒子从浓度高处向浓度低处扩散。式中负号表示粒子从浓度高处向浓度低处扩散。 CDj 我们假设我们假设D是与浓度无关的常数，则上式变为是与浓度无关的常数，则上式变为2.菲克第二定律)(CDjtC CDtC2 菲克第二定律菲克第二定律得扩散的连续性方程得扩散的连续性方程CDj 由由上式的解与边界条件有关，常用的边界条件有如下两种：上式

30、的解与边界条件有关，常用的边界条件有如下两种： (1) (1)在单位面积上有在单位面积上有Q个粒子欲向晶体内部单方向扩散，边个粒子欲向晶体内部单方向扩散，边界条件为：界条件为：；，0)( 0 0 0 00 xCxtQCxt而且时间足够长时，晶体内部的扩散粒子总数为而且时间足够长时，晶体内部的扩散粒子总数为Q，即即 0)d(QxxCDt/xDtQt ,xC42e)( 在以上条件下，在以上条件下， 式的解为式的解为CDtC2 （2 2）扩散粒子在晶体表面维持一个不变的浓度）扩散粒子在晶体表面维持一个不变的浓度C0，边界条边界条件为：件为： DtxCt ,xC200de21)(2 在此条件下，在此条

31、件下， 式的解为式的解为CDtC2 Tk/DTDBe)(0 实验得出实验得出D与温度的关系为与温度的关系为；，000000 CxtCCxt实验结果还表明实验结果还表明D0与晶体的熔点与晶体的熔点Tm之间还存在如下关系：之间还存在如下关系：mTk/DBe0 D0为常数，称为频率因子，为常数，称为频率因子，是扩散过程中的激活能。是扩散过程中的激活能。7.3.2 扩散的微观机构 从微观角度来看，扩散运动是粒子的布朗运动，根据统从微观角度来看，扩散运动是粒子的布朗运动，根据统计物理学原理我们已知，粒子的平均平方位移为：计物理学原理我们已知，粒子的平均平方位移为： 其中等式右边是在若干相等的时间间隔其中

32、等式右边是在若干相等的时间间隔内，粒子的位移内，粒子的位移平方的平均值。平方的平均值。扩散过程的主要特点在于扩散系数与温度扩散过程的主要特点在于扩散系数与温度T的关系。的关系。 Dl22 在晶体中粒子的位移受晶格周期性的限制，其位移平方的在晶体中粒子的位移受晶格周期性的限制，其位移平方的平均值也与晶格周期有关。平均值也与晶格周期有关。 晶体粒子的扩散有晶体粒子的扩散有三种方式：离子以填隙原子的形式扩散；：离子以填隙原子的形式扩散；粒子借助于空位扩散；以上两种方式并存。粒子借助于空位扩散；以上两种方式并存。1.空位机构 对于一个借助于空位进行扩散的正常格点上的原子，只有对于一个借助于空位进行扩散

33、的正常格点上的原子，只有当相邻的各点是空位时，它才可能跳跃一步，所需等待的时间当相邻的各点是空位时，它才可能跳跃一步，所需等待的时间是是 1。但被认定的原子相邻的一个格点为空位的概率是。但被认定的原子相邻的一个格点为空位的概率是n1/ /N，所以它等待到相邻这一格点为空位并跳到此空位所花的时间为：所以它等待到相邻这一格点为空位并跳到此空位所花的时间为：11 nN 对于简单晶格，原子在这段时间内跳过一个晶格常量，所对于简单晶格，原子在这段时间内跳过一个晶格常量，所以有以有22al 12112 NanD Tk/EuaDB11)(0121e21 从上式可以看出，扩散过程和热激活过程相联系。从上式可以

34、看出，扩散过程和热激活过程相联系。 u1+ +E1代表激活能，代表激活能，u1代表空位形成能，当代表空位形成能，当u1小时，空位浓小时，空位浓度大，有利于扩散进行；度大，有利于扩散进行； E1是扩散原子与近邻的空位交换位置所必须跨越的势垒高是扩散原子与近邻的空位交换位置所必须跨越的势垒高度，度， E1小时，空位热运动快。因此小时，空位热运动快。因此u1+ +E1小时，小时，D的数值较大。的数值较大。 当温度很低时，原子的振动能小，难以获得足够能量跳过当温度很低时，原子的振动能小，难以获得足够能量跳过势垒势垒E1；温度很高时，晶格的振动能大，原子容易获得足够的温度很高时，晶格的振动能大，原子容易

35、获得足够的能量跳过势垒进行扩散。能量跳过势垒进行扩散。2.填隙原子机构 AB填隙原子的扩散填隙原子的扩散 一个借助于填隙原子进行扩散一个借助于填隙原子进行扩散的正常格点上的原子，该原子在的正常格点上的原子，该原子在A点等待了点等待了 时间才跳到间隙位置变成时间才跳到间隙位置变成填隙原子，然后从一个间隙位置跳填隙原子，然后从一个间隙位置跳到另一个间隙位置，当它落入与空到另一个间隙位置，当它落入与空位相邻的间隙位置时，立即与空位位相邻的间隙位置时，立即与空位复合，进入正常各点复合，进入正常各点B。 我们计算一下该原子从我们计算一下该原子从A点到点到B点所需的时间，以及点所需的时间，以及AB间间的距

36、离的平方。的距离的平方。 设从设从A点到点到B点经过点经过f小步，每一小步的距离为小步，每一小步的距离为xi( (i= =1，2，f) )，显然显然fxxxl 21 对于无规则运动，对于无规则运动，X的方向是完全杂乱的，必须按均方根的方向是完全杂乱的，必须按均方根值的办法来求值的办法来求l，即即 srsrfiixxxl122 因为所有的小步都是完全独立的，且如果因为所有的小步都是完全独立的，且如果f是个大数，则是个大数，则所以所以 fiixl1220 ssrrxx 与填隙原子相邻的一个格点是空位的概率是与填隙原子相邻的一个格点是空位的概率是n1/ /N， 因此填因此填隙原子跳隙原子跳N/ /n

37、1小步才能遇到一个空位与之复合，所以小步才能遇到一个空位与之复合，所以f= =N/ /n1 1，如果把每一小步的距离都看作等于如果把每一小步的距离都看作等于a，于是于是212122anNfaxlfii 从从A点到点到B点所花费的时间点所花费的时间2)1( f 其中其中 2是原子从一个间隙位置跳到相邻间隙位置要等待的是原子从一个间隙位置跳到相邻间隙位置要等待的时间，由于时间，由于f是个大数，因此上式可以略去是个大数，因此上式可以略去1， AB填隙原子的扩散填隙原子的扩散2 f Tk/ETk/)Euu(nNB2B221ee02102 Tk/)uu(Tk/)Euu(nNB21B221e1e102 2

38、 f Tk/EuuB221)(02e )1(e202B221NnTk/)Euu( )1(e221102B221NnnnNTk/)Euu( Tk/ )Eu(aDB22e210222 Dl22 一般说来，一般说来，u2大于大于u1，所以同样温度下，所以同样温度下，D1要比要比D2大得多。大得多。RT/NTk/DDD 0Bee00 其中其中N0是阿伏伽德罗常量，是阿伏伽德罗常量，R是摩尔气体常量，是摩尔气体常量，N0代表摩代表摩尔扩散的激活能。对于空位扩散机构，尔扩散的激活能。对于空位扩散机构，= =u1+ +E1；对于填隙原子对于填隙原子机构，机构，= =u2+ +E2。 因为以上模型过于理想化，

39、实际晶体中的缺陷，还有线因为以上模型过于理想化，实际晶体中的缺陷，还有线缺陷、面缺陷等，所以人们实验测定的一些金属的自扩散系数缺陷、面缺陷等，所以人们实验测定的一些金属的自扩散系数比理论值大几个数量级。比理论值大几个数量级。3.杂质原子扩散杂质原子扩散性质依赖于杂质原子在晶体中的存在方式。杂质原子扩散性质依赖于杂质原子在晶体中的存在方式。 当杂质原子以填隙原子的形式存在时，如果杂质原子与空当杂质原子以填隙原子的形式存在时，如果杂质原子与空位复合，由于杂质原子小，因此它比较容易再变成填隙原子，位复合，由于杂质原子小，因此它比较容易再变成填隙原子，因此可以把杂质与空位的复合忽略掉。杂质原子的复合是

40、从一因此可以把杂质与空位的复合忽略掉。杂质原子的复合是从一个间隙位置跳到另一个间隙位置，每跳一步所花的时间为：个间隙位置跳到另一个间隙位置，每跳一步所花的时间为：Tk/EBe10 其中其中 0为杂质原子的振动频率，为杂质原子的振动频率，E是杂质原子从一个间隙是杂质原子从一个间隙跳到另一个间隙时所克服的晶格势垒。跳到另一个间隙时所克服的晶格势垒。在此时间内在此时间内22al 所以填隙式杂质原子的扩散系数所以填隙式杂质原子的扩散系数Tk/EaDBe2102 设设 ,0202 EE22nNDD 因为因为N远大于远大于n2，所以，杂质原子的扩散系数比晶体填隙原所以，杂质原子的扩散系数比晶体填隙原子的自

41、扩散系数要大得多。子的自扩散系数要大得多。 例如氢、硼、碳、氮等以填隙的方式存在于铁中，实验得例如氢、硼、碳、氮等以填隙的方式存在于铁中，实验得出在出在1100 1100 时，它们在时，它们在 -铁中的扩散系数如下表。铁中的扩散系数如下表。C0元素元素扩散系数扩散系数（米（米2 2/ /秒）秒）氢氢81091 .硼硼111016 .碳碳111076 .氮氮111083 .铁铁16109 当杂质原子以替代方式出现时，由于杂质原子占据了正常当杂质原子以替代方式出现时，由于杂质原子占据了正常格点，所以其扩散的方式同自扩散更为近似，但由于外来原子格点，所以其扩散的方式同自扩散更为近似，但由于外来原子和

42、晶体中的基本原子的大小及电荷数目有所不同，和晶体中的基本原子的大小及电荷数目有所不同，因此当它们因此当它们替代晶体中的原子后，会引起周围畸变，使得畸变区域出现空替代晶体中的原子后，会引起周围畸变，使得畸变区域出现空位的概率大大增加，这样杂质原子跳向空位的概率也加大，也位的概率大大增加，这样杂质原子跳向空位的概率也加大，也就加快了杂质原子的扩散，即替代式杂质原子的扩散系数比晶就加快了杂质原子的扩散，即替代式杂质原子的扩散系数比晶体自扩散系数大。体自扩散系数大。第第 四四 节节 离子晶体的点缺陷及导电性离子晶体的点缺陷及导电性本节主要内容：本节主要内容：7.4.1 7.4.1 离子晶体的点缺陷离子

43、晶体的点缺陷7.4.2 7.4.2 离子晶体的导电性离子晶体的导电性7.4 离子晶体的点缺陷及导电性7.4.1 离子晶体的点缺陷 本节我们讨论热缺陷在本节我们讨论热缺陷在外力作用下的运动。对于离外力作用下的运动。对于离子晶体而言，离子导电性就子晶体而言，离子导电性就是由于热缺陷在外电场作用是由于热缺陷在外电场作用下的运动引起的。下的运动引起的。 在此，我们只讨论典型的在此，我们只讨论典型的A A+ +B B- -离子晶体，如图所示。离子晶体，如图所示。 正空格点正空格点离子晶体中的缺陷离子晶体中的缺陷正填隙离子正填隙离子负空格点负空格点+ + + + + + + + + + + + + +-负

44、填隙离子负填隙离子 晶体中有四种缺陷，晶体中有四种缺陷，A A+ +填隙离子，填隙离子， A A+ +空位，空位，B B- -填隙填隙离子和离子和B B- -空位。由于整个晶空位。由于整个晶体是保持电中性的，因此，体是保持电中性的，因此，对于其中的肖特基缺陷，正对于其中的肖特基缺陷，正负离子空位的数目是相同的；负离子空位的数目是相同的； 对弗仑克尔缺陷则含有对弗仑克尔缺陷则含有相同数目的正、负离子空位相同数目的正、负离子空位和正、负填隙离子。和正、负填隙离子。正空格点正空格点离子晶体中的缺陷离子晶体中的缺陷正填隙离子正填隙离子负空格点负空格点+ + + + + + + + + + + + +

45、+-负填隙离子负填隙离子7.4.2 离子晶体的导电性 a a( (a)a)E2( (b)b)( (a)a)填隙离子沿虚线运动；填隙离子沿虚线运动；( (b)b)无外场；无外场；( (c)c)有外电场有外电场。 在没有外电场时，这些缺陷在没有外电场时，这些缺陷作无规则的布朗运动，不产生宏作无规则的布朗运动，不产生宏观的电流。观的电流。 当有外电场存在时，这些缺陷除作布朗运动外，还有一个当有外电场存在时，这些缺陷除作布朗运动外，还有一个定向的漂移运动，从而产生宏观电流。正负电荷漂移的方向是定向的漂移运动，从而产生宏观电流。正负电荷漂移的方向是相反的但是由于电荷异号，正负电荷形成的电流都是同方向的。

46、相反的但是由于电荷异号，正负电荷形成的电流都是同方向的。( (c)c) 假设假设 分别代表分别代表i种热缺陷的浓度和漂移速度，则四种热缺陷的浓度和漂移速度，则四种缺陷总的电流密度为：种缺陷总的电流密度为：iivn， 41iiiivqnj 假定各热缺陷的运动是独立的，我们先考虑一个假定各热缺陷的运动是独立的，我们先考虑一个A A+ +填隙离填隙离子在外电场作用下的运动情况。子在外电场作用下的运动情况。 当没有外力存在时，填隙离子沿图（当没有外力存在时，填隙离子沿图（a a）中虚线运动，它在中虚线运动，它在各个位置上的势能是对称的，填隙离子越过势垒向左或向右运各个位置上的势能是对称的，填隙离子越过

47、势垒向左或向右运动的概率是一样的。动的概率是一样的。Tk/EPB2e02 即运动是布朗运动。即运动是布朗运动。Tk/)/aqE(PB2202e 左左Tk/)/aqE(PB2202e 右右填隙离子向左、右两边跳跃的概率分别为：填隙离子向左、右两边跳跃的概率分别为： 当沿当沿x方向加电场方向加电场时，一个正的填隙离子将在原来的离子时，一个正的填隙离子将在原来的离子势能上叠加电势能势能上叠加电势能 ，势能曲线变成图，势能曲线变成图( (C)C)所示的情况，所示的情况，这时势能不再是对称的。这时势能不再是对称的。xq 填隙离子左端的势垒增高了填隙离子左端的势垒增高了 ，2aq 填隙离子右端的势垒却降低

48、了填隙离子右端的势垒却降低了 ，2aq 每秒向左或向右跳动的概率，实际上也可以认为是每秒向每秒向左或向右跳动的概率，实际上也可以认为是每秒向左或向右跳动的步数，因此每秒向右的净步数为：左或向右跳动的步数，因此每秒向右的净步数为：左右净PPP Tk/ )/aqE(Tk/ )/aqE(B2B22202ee 于是向右漂移的速度为于是向右漂移的速度为一般情况下，电场不很强，一般情况下，电场不很强，TkaqB2 上式可化为上式可化为 Tk/EdTkaqvB2eB022 TkaETkaqEdavB2B2/ )2/q(/ )2/(02ee 式中式中 称为离子迁移率，它与扩散系数称为离子迁移率，它与扩散系数D

49、的关系为的关系为DTkqB 上式实际上是一个普通的关系式，不仅限于离子晶体的导上式实际上是一个普通的关系式，不仅限于离子晶体的导电性，这个关系称为爱因斯坦关系。电性，这个关系称为爱因斯坦关系。填隙离子的定向漂移产生的电流密度则表示为填隙离子的定向漂移产生的电流密度则表示为Tk/EaTkqnB2e022B2 电导率电导率 密切依赖于温度，上式中除了指数因子中的温度密切依赖于温度，上式中除了指数因子中的温度T外，还应注意填隙离子数外，还应注意填隙离子数n也随温度有也随温度有类似的指数变化关系。类似的指数变化关系。 qnvqnjdd第七章第七章 晶体中的缺陷与扩散晶体中的缺陷与扩散总总 结结v晶体缺陷的基本类型晶体缺陷的基本类型v热缺陷的统计理论热缺陷的统计理论v晶体中的扩散晶体中的扩散v离子晶体的点缺陷及导电性离子晶体的点缺陷及导电性1.点缺陷 弗仑克尔缺陷弗仑克尔缺陷：当晶格中的原子脱离格点后，移到间隙位：当晶格中的原子脱离格点后，移到间隙位置形成填隙原子时，在原来的格点位置处产生一个空位，置形成填隙原子时，在原来的格点位置处产生一个空位，填隙原子和空位成对出现，这种缺陷称为弗仑克尔缺陷。，这种缺陷称为弗仑克尔缺陷。 按缺陷的几何形状和涉及范围将缺陷分为：点缺陷、线缺按缺陷的几何形状和涉及范围将缺陷分为：点缺陷