固体物理学教案5 ppt课件

1、贵州大学新型光电子材料与技术研究所第五章第五章 晶体中的缺陷晶体中的缺陷完美晶体：一切原子或离子都陈列在完美晶体：一切原子或离子都陈列在晶格中它们本人的位置上，没有外来晶格中它们本人的位置上，没有外来的杂质；晶体的原子之比符合化学计的杂质；晶体的原子之比符合化学计量比。量比。实践晶体：与理想晶体有一些差别。实践晶体：与理想晶体有一些差别。或多或少地存在这样那样的缺陷。或多或少地存在这样那样的缺陷。贵州大学新型光电子材料与技术研究所 晶体缺陷的存在，破坏了完美晶体的有序性，引起晶体内能U和熵S添加。 按缺陷在空间的几何构型可将缺陷分为点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷，它们分别取决于缺陷的延伸范围是

2、零维、一维、二维还是三维来近似描画。每一类缺陷都会对晶体的性能产生很大影响，例如点缺陷会影响晶体的电学、光学和机械性能，线缺陷会严重影响晶体的强度、电性能等。贵州大学新型光电子材料与技术研究所5.1 点缺陷点缺陷热缺陷热缺陷热缺陷的统计热缺陷的统计杂质原子杂质原子色心色心极化子极化子贵州大学新型光电子材料与技术研究所 热缺陷热缺陷 点缺陷点缺陷_晶体周期性被破坏的程度在一个点晶体周期性被破坏的程度在一个点附近附近1至几个原子间距范围至几个原子间距范围. 热缺陷热缺陷_由于晶格热运动而产生的点缺陷由于晶格热运动而产生的点缺陷.包包含空位、填隙原子和夫仑克尔缺陷。含空位、填隙原子和夫仑克尔缺陷。

3、1空位空位Schottky缺陷缺陷 和填隙原子和填隙原子2Frenkel缺陷：空位填隙原子对称为Frenkel缺陷。贵州大学新型光电子材料与技术研究所热缺陷的统计热缺陷的统计1) 热缺陷的数目热缺陷的数目由热力学可知，在等温过程中，当热缺陷数由热力学可知，在等温过程中，当热缺陷数目到达平衡时，系统的自在能取极小值：目到达平衡时，系统的自在能取极小值：0TFna空位的平衡数目 设：晶体中原子总数：N 构成一个空位所需能量：u1 晶体中空位数：n1N n1 贵州大学新型光电子材料与技术研究所由于晶体中出现空位，系统自在能的改动：FUT S 1 1Unu ， W：系统能够出现的微观形状数：系统能够出

4、现的微观形状数BSk lnW晶体中没有空位时，系统原有的微观形状数为W0，由于出现空位，系统的微观形状数添加W1。假设：W0和W1相互独立，有：W W0 W1001BBBSSSk lnWk lnWk lnW 于是有： 1BSk lnW贵州大学新型光电子材料与技术研究所11111!nN nNnWN nC在N+n1个原子位置中出现n1个空位，其微观形状数为：11 111 11!BBNnFnuk TlnWnuk TlnN n到达平衡时：10Fn利用Stirling公式，当x很大时，有：!dlnxlnxdx11110BFuk T ln Nnlnnn贵州大学新型光电子材料与技术研究所111expBnuN

5、nk T11expBunNk T1nNb间隙原子的平衡数目晶体中间隙原子位置的总数：N构成一个间隙原子所需能量：u2 平衡时晶体中的间隙原子数：n2设n2 N那么在一定温度下，间隙原子的平衡数目为：22expBunNk T贵州大学新型光电子材料与技术研究所cFrenkel缺陷的平衡数目： 同样的方法，可求出晶体中Frenkel缺陷的平衡数目为：exp2ffBunNNk T其中：nfn1n2 ， ufu1u2 ：构成一个Frenkel缺陷所需的能量。 由于u1 约束条件：0,n x t dxN2,exp4Nxn x tDtDt贵州大学新型光电子材料与技术研究所2坚持外表浓度不变22nnDtx 初

6、始条件和边境条件分别为：n(x, 0) = 0 , x 0n(0, t) = n0 , t 0 解为：22002,1xDtn x tned012xnerfDt贵州大学新型光电子材料与技术研究所202( )xerf xed 误差函数概率积分误差函数概率积分贵州大学新型光电子材料与技术研究所3) 分散系数与温度的关系 分散系数与温度有亲密关系，温度越高，分散就越快。实验发现，假设温度变化范围不太宽，那么，分散系数与温度的关系为0( )expQD TDRTD0：常数，R：气体常数，Q：分散激活能贵州大学新型光电子材料与技术研究所0( )QlnD TlnDRT1/T0lnDtgQRtgQR贵州大学新型

7、光电子材料与技术研究所 分散的微观机制分散的微观机制 1 2dd圆柱体高：d底面：dS1 由面由面1向面向面2流动的净原子流密度：流动的净原子流密度：1216aj1216nnd216ddndx ：原子在相邻两次腾跃的时间间隔贵州大学新型光电子材料与技术研究所216dD 分散系数的微观表达式： 主要由所需等待的时间来决议 原子分散的微观机制：原子分散的微观机制：1空位机制：分散原子经过与周围的空位交换位置 进展分散 。2间隙原子机制：分散原子经过从一个间隙位置跳到 另一个间隙位置进展分散。3易位机制：分散原子经过与周围几个原子同时交换 位置进展分散。贵州大学新型光电子材料与技术研究所1空位机制d

8、a11Nn 分散系数的表达式：221110111exp66BanuEDaNk T1：原子每跳一步所需等待的时间 n1/N ：在分散原子周围出现空位的概率贵州大学新型光电子材料与技术研究所0expQDDRT与与比较比较20001116DaQNuE u1小，E1小，分散激活能Q低，分散就越快 估算：a 3 10-10 m，0 1012 s-1 D0实际 10-8 m2/s D0实验 10-4 m2/s 缘由：有些影响分散过程的要素未思索贵州大学新型光电子材料与技术研究所 对于原子的自分散和晶体中替位式杂质或缺位式杂 质的异分散，普通可以以为是经过空位机制分散的。一些元素在Pb中的扩散系数的实验值（

9、285C）元素元素PbSnFeAgAuD0 (10-4 m2/s)4.345.7 10-27.5 10-23.5 10-1Q (Kcal/mol)28.026.221.015.214.0D (10-4 m2/s)7 10-111.6 10-103.6 10-109.1 10-84.6 10-6贵州大学新型光电子材料与技术研究所间隙原子机制间隙原子机制d = a220expBEk T2201exp6BEDak T填隙式杂质在晶体中的分散普通可以为是经过间填隙式杂质在晶体中的分散普通可以为是经过间隙原子机制分散的。隙原子机制分散的。贵州大学新型光电子材料与技术研究所在普通情况下，杂质原子的异分散要

10、比原子自分散快。这是由于当杂质原子取代原晶体中原子所在的格点位置时，由于两种原子的大小不同，必然会在杂质原子周围产生晶格畸变。因此，在杂质原子周围，容易产生空位，有利于杂质原子的分散。影响分散系数的要素很多，如晶体的其他缺陷：位错、层错、晶粒间界等都对分散过程有影响。而各种影响要素主要都是经过影响分散激活能Q表现出来的。所以，在研讨原子的分散过程中，分散激活能是一个非常重要的物理量。前往前往贵州大学新型光电子材料与技术研究所5.3 线缺陷线缺陷-位错位错位错的描画位错的描画, 柏格斯回路柏格斯回路刃型位错刃型位错螺型位错螺型位错螺型位错与晶体生长螺型位错与晶体生长贵州大学新型光电子材料与技术研

11、究所Burgers回路回路参考回路参考回路 位错的描画位错的描画, 柏格斯回路柏格斯回路位错的定义：位错的定义：Burgers矢量不为零矢量不为零b0的线缺的线缺陷陷Burgers矢量集中反映了位错的特征，并可将位错和矢量集中反映了位错的特征，并可将位错和其他线缺陷有效地域分开来其他线缺陷有效地域分开来贵州大学新型光电子材料与技术研究所EF 刃位错：b垂直于位错线刃位错的特点：刃位错的特点：柏格斯矢量柏格斯矢量b垂直于位错线垂直于位错线有多余的半截原子面有多余的半截原子面有固定的滑移面有固定的滑移面 b贵州大学新型光电子材料与技术研究所 螺位错： b平行于位错线AB螺位错的特点：柏格斯矢量b平

12、行于位错线整个晶体构成一螺旋卷面凡是包含位错线的平面均是其滑移面贵州大学新型光电子材料与技术研究所 位错与晶体的性质位错与晶体的性质 几乎一切晶体中都存在位错，正是由于这些位错的运动导致金属在很低的外加切应力的作用下就出现滑移。因此，晶体中位错的存在是呵斥金属强度大大低于实际值的最主要缘由。 不含位错的金属晶须确实具有相当接近于实际值的强度30 m图为一根直径为图为一根直径为100 nm的的 Ni单晶须，可以弯曲成直单晶须，可以弯曲成直径径 为几十微米的环状为几十微米的环状贵州大学新型光电子材料与技术研究所 位错是晶体中的线缺陷，位错线在晶体中构成一畸变的管道在管道内及其附近，由于晶格畸变有较

13、大的应力集中，在晶体内构成应力场，位错线附近原子的能量高于正常格点上原子的能量，所以管道内及其附近的原子容易被杂质原子替代，且易被腐蚀。 晶体外表位错露头处最容易被腐蚀，选用适当的腐蚀液，可察看到构成锥形的腐蚀坑 螺型位错在晶体外表构成终身长台阶，新凝结的原子最容易沿台阶集结，所以晶体生长中容易沿着螺旋面生长出新的一层，而且依次排序不会把台阶消灭前往前往贵州大学新型光电子材料与技术研究所5.4 面缺陷面缺陷堆垛层错堆垛层错孪晶界面孪晶界面晶粒间界晶粒间界贵州大学新型光电子材料与技术研究所堆垛层错堆垛层错密堆积构造晶体中的某个原子层发生堆积密堆积构造晶体中的某个原子层发生堆积错误，称为堆垛层错错

14、误，称为堆垛层错stacking fault，如立方密积的如立方密积的fcc晶体中的正常堆积次晶体中的正常堆积次序：序：ABCABC ， 假设堆垛次序假设堆垛次序为为ABCABABC ，那么称发生层错。，那么称发生层错。孪晶界面孪晶界面孪晶孪晶twin)是一对连生的晶块，两晶块以是一对连生的晶块，两晶块以特定的取向相交接构成的界面，称为孪晶特定的取向相交接构成的界面，称为孪晶界面界面twin plane boundary。贵州大学新型光电子材料与技术研究所3. 晶粒间界固体从蒸汽、溶液或熔体中结晶出来时，只需在一定条件下，例如有籽晶存在时，才干构成单晶，而大多数固体属于多晶体。多晶是由许多小晶

15、粒组成。这些小晶粒本身可以近似看作单晶，且在多晶体内做杂乱陈列。多晶体中晶粒与晶粒的交界区域称为晶粒间界.贵州大学新型光电子材料与技术研究所 晶界构造和性质与相邻晶粒的取向差有关，当取向差小于10时，晶界称为小角晶界；当取向大于10时晶界称为大角度晶界。实践的多晶资料普通都是大角度晶界，但晶粒内部的亚晶界那么是小角晶界。最简单的小角晶界是对称倾斜晶界。 图中是简单立方构造晶体 中界面为100面的倾斜 晶界，相当于一系列平行 的、伯氏矢量在100方向 上的刃型位错线。 小角晶界具有阻止原子扩 散的作用。贵州大学新型光电子材料与技术研究所5.5 离子晶体的导电性AX型离子晶体中的点缺陷离子在外电场

16、中的运动离子导电率贵州大学新型光电子材料与技术研究所AX型离子晶体中的点缺陷型离子晶体中的点缺陷空位空位正离子空位 负离子空位 间隙离子间隙离子正填隙负填隙 离子在外电场中的运动离子在外电场中的运动 = 0时，离子晶体中的点缺陷作无规的布朗运动，所 以，不产生宏观电流. 0时，离子晶体中带电的点缺陷在外电场的作用下 发生定向迁移，从而产生宏观电流贵州大学新型光电子材料与技术研究所 以正填隙离子为例 i设其电荷为q，外电场：离子在电场中受的力：F=q，附加电势能：U(x)=qx离子运动需越过的势垒：向左：12Eq a向右：12Eq aqx0 xU(x) qa/2Ea贵州大学新型光电子材料与技术研

17、究所离子越过势垒的频率： 01216expBEq ak T01216expBEq ak T向右向右向左向左单位时间内，离子净向右越过势垒的次数：016expexpexp22BBBEq aq ak Tk Tk T01exp32BBEq ashk Tk T贵州大学新型光电子材料与技术研究所离子向右运动的漂移速度d01vexp32BBEq aashk Tk T弱场条件，即12Bq ak T22BBq aq ashk Tk T普通条件下：103 10am 191.6 10.qcoul231.38 10/BkJ K300TK510 V/m贵州大学新型光电子材料与技术研究所估算得：45.8 1012Bq

18、ak Td01vexp32BBq aEak Tk T20exp6BBa qEk Tk T20exp6BBa qEk Tk T 离子迁移率离子迁移率贵州大学新型光电子材料与技术研究所 离子导电率离子导电率离子定向迁移的电流密度离子定向迁移的电流密度dvjnqnq 其中n为单位体积中正填隙离子数目 离子导电率：220exp6BBnqaEnqk Tk T填隙离子的分散系数：填隙离子的分散系数：201exp6BEDak T贵州大学新型光电子材料与技术研究所2BnqDk T Einstein关系离子导电率与温度的关系为：0expQTRT22006BnqakQ为离子导电激活能 0QlnTlnRTQRtg1/Tln(T)ln0 Arrhenius关系关系贵州大学新型光电子材料与技术研究所固体电解质或快离子导体：具有较高离子导电性的材固体电