第二章晶体结构缺陷1

1、第二章第二章 晶体结构缺陷晶体结构缺陷 缺陷的含义缺陷的含义：通常把晶体点阵结构中周期性势场的畸变称为：通常把晶体点阵结构中周期性势场的畸变称为晶体的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不完整性。：存在着各种各样的结构的不完整性。研究缺陷的意义：研究缺陷的意义：由于缺陷的存在，才使晶体表现出各种由于缺陷的存在，才使晶体表现出各种各样的性质，使材料加工、使用过程中的各种性能得以有各样的性质，使材料加工、使用过程中的各种性能得以有效控制和改变，使材料性能的改善和复合材料的制备得以效控制和改变，使材料

2、性能的改善和复合材料的制备得以实现。因此，了解缺陷的形成及其运动规律，对材料工艺实现。因此，了解缺陷的形成及其运动规律，对材料工艺过程的控制，对材料性能的改善，对于新型材料的设计、过程的控制，对材料性能的改善，对于新型材料的设计、研究与开发具有重要意义。研究与开发具有重要意义。缺陷对材料性能的影响举例缺陷对材料性能的影响举例:材料的强化，如钢材料的强化，如钢是铁中渗碳是铁中渗碳陶瓷材料的增韧陶瓷材料的增韧半导体掺杂半导体掺杂本章主要内容：本章主要内容：n2. .1 晶体结构缺陷的类型晶体结构缺陷的类型 n2. 2 点缺陷点缺陷n2. .3 线缺陷线缺陷n2. .4 面缺陷面缺陷n2. .5 固

3、溶体固溶体n2. .6 非化学计量化合物非化学计量化合物n掌握缺陷的基本概念、分类方法；掌握缺陷的基本概念、分类方法；n掌握缺陷的类型、含义及其特点；掌握缺陷的类型、含义及其特点；n熟练书写点缺陷的缺陷反应方程式、熟练书写点缺陷的缺陷反应方程式、化学平衡方化学平衡方法计算热缺陷的浓度法计算热缺陷的浓度；n了解缺陷在材料性能的改善、新型材料的设计、了解缺陷在材料性能的改善、新型材料的设计、研究与开发中的意义。研究与开发中的意义。本章要求掌握的主要内容：本章要求掌握的主要内容：2.1 晶体结构缺陷的类型晶体结构缺陷的类型 分类方式：分类方式：几何形态几何形态：点缺陷、线缺陷、面缺陷等点缺陷、线缺陷

4、、面缺陷等形成原因形成原因：热缺陷、杂质缺陷、非化学计量缺陷等热缺陷、杂质缺陷、非化学计量缺陷等一、按缺陷的几何形态分类一、按缺陷的几何形态分类 本征缺陷本征缺陷杂质缺陷杂质缺陷点缺陷点缺陷零维缺陷零维缺陷线缺陷线缺陷一维缺陷一维缺陷位错位错面缺陷面缺陷二维缺陷二维缺陷小角度晶界、大角度晶界小角度晶界、大角度晶界挛晶界面挛晶界面堆垛层错堆垛层错体缺陷体缺陷三维缺陷三维缺陷包藏杂质包藏杂质沉淀沉淀空洞空洞1. 点缺陷（零维缺陷）点缺陷（零维缺陷） Point Defect 缺陷尺寸处于原子大小的数量级上，即三维方向上缺缺陷尺寸处于原子大小的数量级上，即三维方向上缺陷的尺寸都很小。陷的尺寸都很小。

5、包括：包括：空位（空位（vacancy） 间隙质点（间隙质点（interstitial particle） 错位原子或离子错位原子或离子 外来原子或离子外来原子或离子（杂质质点）（杂质质点）（foreign particle） 双空位等复合体双空位等复合体点缺陷与材料的电学性质、光学性质、材料的高温动力学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。过程等有关。Now What Do You See?VacancyInterstitial Vacancies:-vacant atomic sites in a structure.Vacancydistortion of pla

6、nes Self-Interstitials:-extra atoms positioned between atomic sites.self-interstitialdistortion of planesPoint DefectsCommonRareTwo outcomes if impurity (B) added to host (A): Solid solution of B in A (i.e., random dist. of point defects)ORSubstitutional alloy(e.g., Cu in Ni)Interstitial alloy(e.g.,

7、 C in Fe)Impurities In Solids8 Impurities must also satisfy charge balance Ex: NaCl Substitutional cation impurity Substitutional anion impurityinitial geometryCa2+ impurityresulting geometryCa2+Na+Na+Ca2+cation vacancyinitial geometry O2- impurityO2-Cl-anion vacancyCl-resulting geometryImpurities i

8、n Ceramics2. 线缺陷（一维缺陷）线缺陷（一维缺陷）位错位错(dislocation)指在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、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，即缺陷尺寸在一维方规则性排列所产生的缺陷，即缺陷尺寸在一维方向较长，另外二维方向上很短。如各种向较长，另外二维方向上很短。如各种位错位错（dislocation），），如如图图所示。所示。 线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性密线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性密切相关。切相关。 刃型位错刃型位错 G H E F刃型位错示意图：刃型位错示意图：(a)(a)立体模型立体模型;(b);(b)平面图平面图

9、 晶体局部滑移造成的刃型位错晶体局部滑移造成的刃型位错螺型位错螺型位错CBAD(b) 螺型位错示意图螺型位错示意图: :（a a）立体模型）立体模型 ；（；（b b）平面图）平面图ABCD(a )螺型位错示意图螺型位错示意图3.面缺陷面缺陷 面缺陷又称为二维缺陷，是指在二维方向上偏离理想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、规则性排列而产生的缺陷，即缺陷尺寸晶体中的周期性、规则性排列而产生的缺陷，即缺陷尺寸在二维方向上延伸，在第三维方向上很小。如晶界、表面、在二维方向上延伸，在第三维方向上很小。如晶界、表面、堆积层错、镶嵌结构等。堆积层错、镶嵌结构等。 面缺陷的取向及分

10、布与材料的断裂韧性有关。面缺陷的取向及分布与材料的断裂韧性有关。 面缺陷晶界面缺陷晶界 晶界示意图 亚晶界示意图n 晶界晶界: 晶界是两相邻晶粒间的过渡界面。由于相邻晶粒晶界是两相邻晶粒间的过渡界面。由于相邻晶粒间彼此位向各不相同，故晶界处的原子排列与晶内不同，间彼此位向各不相同，故晶界处的原子排列与晶内不同，它们因同时受到相邻两侧晶粒不同位向的综合影响，而做它们因同时受到相邻两侧晶粒不同位向的综合影响，而做无规则排列或近似于两者取向的折衷位置的排列，这就形无规则排列或近似于两者取向的折衷位置的排列，这就形成了晶体中的重要的面缺陷。成了晶体中的重要的面缺陷。n 亚晶界亚晶界: 实验表明，在实际

11、金属的一个晶粒内部晶格位实验表明，在实际金属的一个晶粒内部晶格位向也并非一致，而是存在一些位向略有差异的小晶块（位向也并非一致，而是存在一些位向略有差异的小晶块（位向差一般不超过向差一般不超过2)。这些小晶块称为亚结构。亚结构之。这些小晶块称为亚结构。亚结构之间的界面称为亚晶界。间的界面称为亚晶界。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) 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热缺陷热缺陷杂质缺陷杂质缺陷二二 按缺陷产生的原因分类按缺陷产生的原因分类非化学计量缺陷非化学计量缺

12、陷晶体缺陷晶体缺陷电荷缺陷电荷缺陷辐照缺陷辐照缺陷1. 热缺陷热缺陷 类型类型:弗仑克尔缺陷（弗仑克尔缺陷（Frenkel defect）和肖特基缺陷）和肖特基缺陷（Schottky defect）定义定义:热缺陷亦称为热缺陷亦称为本征缺陷本征缺陷，是指由热起伏的原因所产生，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）。的空位或间隙质点（原子或离子）。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，热缺陷浓度增加温度升高时，热缺陷浓度增加T E 热起伏热起伏(涨落涨落) E原子原子 E平均平均 原子原子脱离其平衡位置脱离其平衡位置 在原来位置上产生一个在原来位置上产生一个

13、空位空位热缺陷产生示意图热缺陷产生示意图（a）单质中弗仑克尔缺陷的形）单质中弗仑克尔缺陷的形成（空位与间隙质点成对出现）成（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 表面位置表面位置 (间隙小间隙小/结构紧凑结构紧凑) 间隙位置间隙位置 (结构空隙大结构空隙大)Frenkel 缺陷缺陷M X:Schottky 缺陷缺陷2. 杂质缺陷杂质缺陷 特征特征:如果杂质的含量在固溶体的溶解度范围内，则杂质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。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响定义定义:亦称为组成缺陷，

14、是由外加杂质的引入所产生的缺陷。亦称为组成缺陷，是由外加杂质的引入所产生的缺陷。基质原子杂质原子基质原子杂质原子取代式取代式 间隙式间隙式 能量效应体积效应体积效应3. 非化学计量缺陷非化学计量缺陷 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小分压大小而变化。而变化。是一种半导体材料。是一种半导体材料。定义定义: 指组成上偏离化学中的定比定律所形成的缺陷。它是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生交换而产生。由基质晶体与介质中的某些组分发生交换而产生。如如Fe1xO、Zn1+xO等晶体中的缺陷。等晶体中的缺陷。电荷缺陷

15、电荷缺陷：质点排列的周期性未受到破坏，但因电子或空穴：质点排列的周期性未受到破坏，但因电子或空穴的产生，使周期性势场发生畸变而产生的缺陷；的产生，使周期性势场发生畸变而产生的缺陷；包括：导带电子和价带空穴包括：导带电子和价带空穴4. 其它原因，如电荷缺陷，辐照缺陷等其它原因，如电荷缺陷，辐照缺陷等辐照缺陷辐照缺陷：材料在辐照下所产生的结构不完整性；：材料在辐照下所产生的结构不完整性；如：色心、位错环等；如：色心、位错环等；辐照缺陷对金属的影响辐照缺陷对金属的影响：高能辐照（如中子辐照），可把原子从正常格点高能辐照（如中子辐照），可把原子从正常格点位置撞击出来，产生间隙原子和空位。位置撞击出来，产生间隙原子和空位。降低金属的导电性并使材料由韧变硬变脆。退火可排除损失。降低金属的导电性并使材料由韧变硬变脆。退火可排除损失。辐照缺陷对非金属晶体的影响辐照缺陷对非金属晶体的影响：在非金属晶体中，由于电子激发态可以局在非金属晶