第四章晶体中的缺陷

1、第四章第四章 晶体中的缺陷晶体中的缺陷实际晶体实际晶体：存在着各：存在着各种各样的结构的不完种各样的结构的不完整性。整性。缺陷缺陷：把实际晶体中原子排列与理想晶体的差别称为晶体缺陷。：把实际晶体中原子排列与理想晶体的差别称为晶体缺陷。 理想晶体理想晶体：质点严格：质点严格按照空间点阵排列。按照空间点阵排列。4.1 晶体缺陷的主要类型晶体缺陷的主要类型晶体缺陷按晶体缺陷按范围范围和和尺寸尺寸分类：分类：1、点缺陷：点缺陷：在三维空间各方向上尺寸都很小，原子尺寸在三维空间各方向上尺寸都很小，原子尺寸大小的晶体缺陷。大小的晶体缺陷。2、线缺陷：线缺陷：在三维空间的一个方向上的尺寸很大另外两在三维空间

2、的一个方向上的尺寸很大另外两个方向上的尺寸很小个方向上的尺寸很小(原子尺寸大小原子尺寸大小)的晶体缺陷。其的晶体缺陷。其具体形式就是晶体中的位错。具体形式就是晶体中的位错。3、面缺陷：面缺陷：在三维空间的两个方向上的尺寸很大在三维空间的两个方向上的尺寸很大,另外另外一个方向上的尺寸很小一个方向上的尺寸很小(原子尺寸大小原子尺寸大小)的晶体缺陷。的晶体缺陷。一、点缺陷：一、点缺陷： 填隙原子填隙原子1 1、点缺陷的名称：、点缺陷的名称：1 1）空位空位: :在晶格结点位置应在晶格结点位置应有原子的地方空缺，这种有原子的地方空缺，这种缺陷称为缺陷称为“空位空位”。 2 2）填隙原子填隙原子在晶格非

3、结点在晶格非结点位置，往往是晶格的间隙，位置，往往是晶格的间隙，出现了多余的原子。出现了多余的原子。 空位空位3）杂质原子杂质原子不同种类的原子替换原不同种类的原子替换原有的原子占据其应有的位置，或进有的原子占据其应有的位置，或进入间隙位置。入间隙位置。 在实际晶体内部，点缺陷附在实际晶体内部，点缺陷附近，原子排列会出现畸变，近，原子排列会出现畸变，其他地方则仍然规则排列其他地方则仍然规则排列 杂质原子杂质原子填隙原子填隙原子杂质原子杂质原子2、点缺陷的形成：、点缺陷的形成：空位和同类填隙原子的产生和移动主要是依靠原子的空位和同类填隙原子的产生和移动主要是依靠原子的热涨落热涨落热缺陷热缺陷（本

4、征缺陷）（本征缺陷）弗伦克尔缺陷的特点弗伦克尔缺陷的特点是是空位和空位和填隙原子同时出现填隙原子同时出现，晶体体积，晶体体积不发生变化，晶体不会因为出不发生变化，晶体不会因为出现空位而产生密度变化。现空位而产生密度变化。空位填隙原子空位填隙原子1）夫伦克耳缺陷）夫伦克耳缺陷：由于热涨落，一个原子从正常格点跳到间隙位置，同由于热涨落，一个原子从正常格点跳到间隙位置，同时产生一个空位和一个填隙原子。时产生一个空位和一个填隙原子。弗伦克尔缺陷的特点弗伦克尔缺陷的特点是是空位和空位和填隙原子同时出现填隙原子同时出现，晶体体积，晶体体积不发生变化，晶体不会因为出不发生变化，晶体不会因为出现空位而产生密度

5、变化。现空位而产生密度变化。2、点缺陷的形成：、点缺陷的形成：空位和同类填隙原子的产生和移动主要是依靠原子的空位和同类填隙原子的产生和移动主要是依靠原子的热涨落热涨落热缺陷热缺陷（本征缺陷）（本征缺陷）2）肖脱基缺陷）肖脱基缺陷：晶格内部晶格内部的的原子集聚了足够的动能，迁移到表面位置，原子集聚了足够的动能，迁移到表面位置，而在原来格点处留下空位。而在原来格点处留下空位。 空位空位+表面原子表面原子肖特基缺陷的特点是晶体表面增加了新的原子层，肖特基缺陷的特点是晶体表面增加了新的原子层，晶晶体内部只有空位缺陷体内部只有空位缺陷，且晶体体积膨胀，密度下降。，且晶体体积膨胀，密度下降。3）杂质缺陷）

6、杂质缺陷由外加杂质的引入所产生的缺陷，亦称为由外加杂质的引入所产生的缺陷，亦称为组成缺陷组成缺陷。杂质缺陷的浓度与温度无关。杂质缺陷的浓度与温度无关。为了有目的地改善器件性能，人为地引入杂质原子。为了有目的地改善器件性能，人为地引入杂质原子。例如：例如：510个硅原子个硅原子掺掺入入一一个个硼硼原原子子电导率增加电导率增加 倍倍310硅半导体中：硅半导体中：红宝石激光器中：红宝石激光器中： 23Al O刚玉晶体刚玉晶体 Cr 掺掺入入微微量量铬铬离离子子形成发光中心形成发光中心3、点缺陷对材料性能的一般影响、点缺陷对材料性能的一般影响原因：原因：无论哪种点缺陷的存在，都会使其附近的原子稍微无论

7、哪种点缺陷的存在，都会使其附近的原子稍微偏离原结点位置才能平衡，即造成小区域的晶格畸变。偏离原结点位置才能平衡，即造成小区域的晶格畸变。 效果：效果：改变材料的电阻改变材料的电阻 电阻来源于离子对传导电子的散射。在完整晶电阻来源于离子对传导电子的散射。在完整晶体中，电子基本上是在均匀电场中运动，而在有缺陷的晶体中，体中，电子基本上是在均匀电场中运动，而在有缺陷的晶体中，在缺陷区点阵的周期性被破坏，电场急剧变化，因而对电子产在缺陷区点阵的周期性被破坏，电场急剧变化，因而对电子产生强烈散射，导致晶体的电阻率增大。生强烈散射，导致晶体的电阻率增大。2) 加快原子的扩散迁移加快原子的扩散迁移 空位可作

8、为原子运动的周转站。空位可作为原子运动的周转站。 3) 形成其他晶体缺陷形成其他晶体缺陷 过饱和的空位可集中形成内部的空洞，集中过饱和的空位可集中形成内部的空洞，集中一片的塌陷形成位错。一片的塌陷形成位错。 4) 由于形成点缺陷需向晶体提供附加的能量，因而由于形成点缺陷需向晶体提供附加的能量，因而引起附加比热引起附加比热容。容。 5) 点缺陷还影响其它物理性质：如扩散系数、内耗、介电常数等。点缺陷还影响其它物理性质：如扩散系数、内耗、介电常数等。 4.2 空位、填隙原子的运动和统计计算空位、填隙原子的运动和统计计算一、空位、填隙原子的运动一、空位、填隙原子的运动空位和填隙原子的跳跃依靠热涨落，

9、与温度紧密相关。空位和填隙原子的跳跃依靠热涨落，与温度紧密相关。以填隙原子为例说明。以填隙原子为例说明。势能势能ABO势能势能约为几个约为几个eV原子热振动能量原子热振动能量:eV210填隙原子的跳跃填隙原子的跳跃靠偶然性的靠偶然性的热涨落实现热涨落实现TkBe0跳跃率跳跃率:能量超过能量超过的几率：的几率：TkBe依靠点缺陷的运动，晶体的扩散得以实现依靠点缺陷的运动，晶体的扩散得以实现V0：振动频率：振动频率二、空位、填隙原子的统计计算二、空位、填隙原子的统计计算尽管空位和填隙原子在不断的产生和复合，但在一定的尽管空位和填隙原子在不断的产生和复合，但在一定的宏观条件下，达到统计平衡时，点缺陷

10、的数目是一定的。宏观条件下，达到统计平衡时，点缺陷的数目是一定的。平衡nnFTSUF0平衡时空位的统计计算（肖特基缺陷）平衡时空位的统计计算（肖特基缺陷）设晶体中有设晶体中有N个原子，系统平衡状态下若存在个原子，系统平衡状态下若存在n个空位个空位,形形成一个空位的能量为成一个空位的能量为晶体内部的一个原子运动到表面，形晶体内部的一个原子运动到表面，形成一个空位所需的能量成一个空位所需的能量(肖特基缺陷肖特基缺陷)系统的自由能：系统的自由能：系统熵增加：系统熵增加：!n!N)!nN(lnkClnkSBNnNB 系统自由能改变：系统自由能改变：STUF平衡条件：平衡条件：00TTnFnF只有只有F

11、 F与与n n有关有关系统自由能：系统自由能：FFF0系统内能增加：系统内能增加：nU !)!(lnnNnNTknSTUFB0)(lnlnln)ln()()(nnNTknNNnnnNnNTknFBBT1ln!lnNNNN斯斯特特令令公公式式：/Bk TsnNe 空位的平衡浓度：空位的平衡浓度：填隙原子的平衡浓度：填隙原子的平衡浓度：/IBuk TInNe 夫伦克尔缺陷的平衡浓度：夫伦克尔缺陷的平衡浓度：/FBuk TFnNN e 形成一个填隙原形成一个填隙原子所需能量子所需能量N N为晶体中原子数量，为晶体中原子数量，N N为晶体中间隙的数量，为晶体中间隙的数量，u uF F为形成为形成一个一

12、个夫伦克尔缺陷需要的能量。夫伦克尔缺陷需要的能量。二、线缺陷二、线缺陷 位错位错线缺陷：线缺陷：晶体内沿某一条线上附近的原子的排列晶体内沿某一条线上附近的原子的排列与完整晶格不相同产生的缺陷与完整晶格不相同产生的缺陷将晶体的上半部分向左平移一个将晶体的上半部分向左平移一个原子间距，使晶体内有一个原子原子间距，使晶体内有一个原子平面在晶体内部中断，平面在晶体内部中断，其中断处其中断处的边沿即刃型位错的边沿即刃型位错1.刃型位错：刃型位错：有刃型位错的晶体有刃型位错的晶体2.螺型位错：螺型位错：将晶体的右半部分向下移动一个原子间距，而在分界线的区将晶体的右半部分向下移动一个原子间距，而在分界线的区

13、域形成一螺旋面，域形成一螺旋面，分界线即螺型位错分界线即螺型位错 离位错线较远处，原子排列接近于完整晶体；离位错线较远处，原子排列接近于完整晶体；离位错线较近处，原子排列有较大错乱离位错线较近处，原子排列有较大错乱3.位错的特征：位错的特征：线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性密切相关。线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性密切相关。4.3 4.3 位错及其滑移位错及其滑移一、滑移一、滑移滑移面滑移面滑移线滑移线滑移面滑移面: :由某一平面分割的材料两边有相对移动，出现的面由某一平面分割的材料两边有相对移动，出现的面滑移向滑移向: :滑移的方向。滑移的方向。一般为原子密度较大的晶面一般为原子密度

14、较大的晶面。如面心立方的（如面心立方的（111111）面）面一般为滑移面上原子线密度最高的方向一般为滑移面上原子线密度最高的方向. .如面心立方的如面心立方的向向如果晶体的滑移是整体的发生的如果晶体的滑移是整体的发生的, ,那么使滑移那么使滑移发生的临界应力大约为发生的临界应力大约为 , , 这一数值这一数值比实验值高出比实验值高出 个数量级个数量级21010mN42即即理论实际原因：原因：存在于晶体内部的位错极大地降低了产生滑存在于晶体内部的位错极大地降低了产生滑移所需的临界应力移所需的临界应力. .一部分原子先运动一部分原子先运动（形成位错）（形成位错）位错滑移位错滑移其它原子相继运动其它

15、原子相继运动晶体沿滑移面的整体滑移晶体沿滑移面的整体滑移二、刃位错二、刃位错( (棱位错棱位错) )的滑移的滑移位错线附近原子结构已有明显畸变，使原子处于不稳位错线附近原子结构已有明显畸变，使原子处于不稳定状态，施加较小的切变力定状态，施加较小的切变力 ，畸变后的原子将在滑，畸变后的原子将在滑移面上移面上平行平行于切变力方向移动；当位错线移出，在晶于切变力方向移动；当位错线移出，在晶体表面形成一个原子台阶。体表面形成一个原子台阶。类比类比1 1： 地毯鼓包的移动地毯鼓包的移动ABABABABAB使地毯一边隆起一个鼓包，鼓包从一边移动到另一使地毯一边隆起一个鼓包，鼓包从一边移动到另一边比地毯整块

16、移动所花的力气要小得多边比地毯整块移动所花的力气要小得多类比类比2 2：蠕动模型：蠕动模型位错就类似一个位错就类似一个“原子地毯原子地毯”的鼓包，帮助原子滑移的鼓包，帮助原子滑移三、螺位错的滑移三、螺位错的滑移类比类比 撕纸撕纸四、刃位错与螺位错的异同四、刃位错与螺位错的异同相同点：相同点： 位错线周围晶格结构均发生局域畸变；位错线周围晶格结构均发生局域畸变；不同点：不同点： 刃位错中，位错线与滑移方向垂直；刃位错中，位错线与滑移方向垂直；螺位错中，位错线与滑移方向平行螺位错中，位错线与滑移方向平行. .三、面缺陷三、面缺陷 1 1、表面、表面在晶体表面，垂直于表面方向上平移对称性被破坏，在晶体表面，垂直于表面方向上平移对称性被破坏，是一种面缺陷。是一种面缺陷。单晶体单晶体多晶体多晶体2 2、晶界、晶界内部晶体位内部晶体位向完全一致向完全一致包含许多的小晶体，包含许多的小晶体，每个小晶体的内部，每个小晶体的内部，晶格位向是均匀一致晶格位向是均匀一致的，而各个小晶体之的，而各个小晶体之间，