晶体材料基础---第十一讲 晶体缺陷

1、 介绍晶体中常见缺陷及其种类，要求掌握晶体中常见介绍晶体中常见缺陷及其种类，要求掌握晶体中常见的几种缺陷；了解缺陷是如何形成的；熟知缺陷在实际研的几种缺陷；了解缺陷是如何形成的；熟知缺陷在实际研究及生产中应用。究及生产中应用。（1）点缺陷、缺陷浓度计算）点缺陷、缺陷浓度计算（2）线缺陷）线缺陷（3）面缺陷）面缺陷（4）缺陷在实际研究及生）缺陷在实际研究及生产产中的应用中的应用 根据晶体的点阵结构理论，晶体的主要特征是其结构根据晶体的点阵结构理论，晶体的主要特征是其结构基元作点阵式排列的周期性，但实际上晶体总是或多活少基元作点阵式排列的周期性，但实际上晶体总是或多活少地偏离了严格的周期性，而存在

2、着各种各样的缺陷。地偏离了严格的周期性，而存在着各种各样的缺陷。 所有所有与晶体结构严格三维周期排列的偏离都可以被认与晶体结构严格三维周期排列的偏离都可以被认为是晶体缺陷或不完整性，实际晶体都是有缺陷的不完整为是晶体缺陷或不完整性，实际晶体都是有缺陷的不完整晶体晶体。 晶体缺陷对其电、磁、光、声、热等物理性质都会产晶体缺陷对其电、磁、光、声、热等物理性质都会产生些影响，甚至起生些影响，甚至起着重要作用。着重要作用。点缺陷：点阵空位点缺陷：点阵空位、间隙原子、置换、间隙原子、置换原子、杂质离子等原子、杂质离子等线缺陷：线缺陷： 各类位错各类位错面缺陷：面缺陷： 各各类界面，表面及层错等类界面，表

3、面及层错等体缺陷：体缺陷： 第二相粒子、空位团等第二相粒子、空位团等 点缺陷点缺陷（0 0维维）：）：在任意方向上缺陷区的尺寸都远小于晶在任意方向上缺陷区的尺寸都远小于晶体或晶粒的线度的缺陷。如：溶解于晶体中的杂质原子，晶体或晶粒的线度的缺陷。如：溶解于晶体中的杂质原子，晶体点阵结点上的原子进入点阵间隙时形成的空位和填隙原子体点阵结点上的原子进入点阵间隙时形成的空位和填隙原子等。等。 在在离子晶体中，点缺陷还常常伴随电子结构缺陷，如点离子晶体中，点缺陷还常常伴随电子结构缺陷，如点缺陷俘获电子或空穴造成色心缺陷俘获电子或空穴造成色心。点缺陷间交互作用还可以造。点缺陷间交互作用还可以造成更复杂的缺

4、陷，如点缺陷对、点缺陷群等。成更复杂的缺陷，如点缺陷对、点缺陷群等。按按缺陷产生的原因分类缺陷产生的原因分类l1）热缺陷）热缺陷l2）杂质缺陷）杂质缺陷l3）非）非化学计量化学计量缺陷缺陷l4）其它原因（如电荷）其它原因（如电荷缺陷，辐照缺陷等缺陷，辐照缺陷等）1) 热缺陷热缺陷l定义定义:热热缺陷亦称为本征缺陷，是指由热起伏的原因所产缺陷亦称为本征缺陷，是指由热起伏的原因所产生的空位或间隙质点（原子生的空位或间隙质点（原子或离子或离子）。）。l类型类型:弗仑克尔缺陷（弗仑克尔缺陷（Frenkeldefect）和肖脱基缺陷和肖脱基缺陷（Schottkydefect）l热热缺陷浓度与缺陷浓度与温

5、度的关系温度的关系:温度温度升高时，热缺陷浓度升高时，热缺陷浓度增加。增加。2) 杂质缺陷杂质缺陷l定义定义:亦亦称为组成缺陷，是由外加杂质的引入所产生的缺称为组成缺陷，是由外加杂质的引入所产生的缺陷陷。l特征特征:如果如果杂质的含量在固溶体的溶解度范围内，则杂质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。l定义定义: :指指组成上偏离化学中的定比定律所形成的缺陷。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它是由基质晶体与介质中的某些组分某些组分发生交换而产生。发生交换而产生。l特点特点: :其其化学组成随周围气氛的性质及其分压大小而

6、化学组成随周围气氛的性质及其分压大小而变变化。化。1)1)热缺陷热缺陷热缺陷热缺陷的形成的形成 对晶体进行加热及高能对晶体进行加热及高能离子轰击离子轰击等，由于等，由于原子的热原子的热振动和振动和能量起伏使具有较高能量的能量起伏使具有较高能量的原子偏离原子偏离平衡位置而平衡位置而迁移至其它位置迁移至其它位置便形成便形成空位。空位。(1)弗仑克尔弗仑克尔(Frenkel)缺陷缺陷 正常正常格点上的原子，无时无刻不格点上的原子，无时无刻不在作围绕平衡点的在作围绕平衡点的振动。由于振动。由于存在热存在热振动的涨落，振动的涨落，振幅振幅大大的的原子就会摆脱原子就会摆脱平衡位置而进入原子间隙平衡位置而进

7、入原子间隙位置。这种位置。这种由一个正常原子同时产生一个填隙原由一个正常原子同时产生一个填隙原子和一个空穴的缺陷称为弗仑克尔缺子和一个空穴的缺陷称为弗仑克尔缺陷陷。复合型复合型 空位空位 间隙离子间隙离子 (2)肖特基肖特基Schohky)缺陷缺陷 由于晶体表面由于晶体表面附近的原子热运动附近的原子热运动到表面，到表面，在原来的原子位置留出空在原来的原子位置留出空位，位，然后内部邻近的原子再进入这然后内部邻近的原子再进入这个空位，这样逐步进行而造成的，个空位，这样逐步进行而造成的，看来就好像是晶体内部原子跑到晶看来就好像是晶体内部原子跑到晶体表面来了体表面来了。这种由于原子的热运。这种由于原子

8、的热运动，原子从晶体内部跑到晶体表面，动，原子从晶体内部跑到晶体表面，而在原来位置形成空位的缺陷，就而在原来位置形成空位的缺陷，就称作肖特基缺陷。称作肖特基缺陷。复合型复合型 一对带电一对带电空位空位2)2)杂质缺陷杂质缺陷晶体中的杂质缺陷一般有两种原因造成的，其一是人晶体中的杂质缺陷一般有两种原因造成的，其一是人为引入的杂质原子或离子缺陷，这种杂质缺陷往往带来特为引入的杂质原子或离子缺陷，这种杂质缺陷往往带来特殊的功能性质，如激光基质晶体当中掺杂稀土离子殊的功能性质，如激光基质晶体当中掺杂稀土离子Nd，产，产生激光输出；铌酸锂晶体掺杂生激光输出；铌酸锂晶体掺杂MgO以提高抗光损伤阈值，以提高

9、抗光损伤阈值，半导体行业进行阳离子掺杂形成受主和施主杂质等等。半导体行业进行阳离子掺杂形成受主和施主杂质等等。另一类是人们不希望得到但另一类是人们不希望得到但又避免不了的，通常由于晶又避免不了的，通常由于晶体制备过程中原料的纯度，体制备过程中原料的纯度，制备环节中的外界污染的引制备环节中的外界污染的引入的杂质。入的杂质。杂质缺陷：杂质缺陷：（1）取代型取代型杂质原子或离子缺陷；杂质原子或离子缺陷；（2）间隙型间隙型杂质原子或离子缺陷；杂质原子或离子缺陷；在在晶体生长、半导体材料及电子陶瓷材料制备中，常常晶体生长、半导体材料及电子陶瓷材料制备中，常常有目的地加入少量的杂质原子有目的地加入少量的杂

10、质原子，使其形成取代式杂质缺陷。，使其形成取代式杂质缺陷。取代式取代式杂质原子杂质原子二元化合物二元化合物MgO缺陷：缺陷：1）离子空位：正常结点位没有质点，）离子空位：正常结点位没有质点，VMg和和VO2）间隙离子：）间隙离子：Mgi和和Oi3）错位（反结构）：）错位（反结构）：MgO和和OMg4）溶质原子：）溶质原子：外来外来杂质杂质Ca进入进入MgO晶格中取代晶格中取代Mg，则，则CaMg外来外来杂质杂质Ca进入进入MgO晶格的间隙，则晶格的间隙，则Cai5）电荷缺陷：）电荷缺陷：自由电子自由电子e表示有效负电荷（无特定位置）表示有效负电荷（无特定位置）电子电子空穴空穴h表示有效正电荷（

11、无特定表示有效正电荷（无特定位置位置）6）带电缺陷：不同价离子间的）带电缺陷：不同价离子间的取代取代Ca进入进入NaCl晶格中取代晶格中取代Na，则，则CaNa四个基本原则：四个基本原则：1）位置平衡：反应前后位置数不变（对基质而言）位置平衡：反应前后位置数不变（对基质而言，看，看下标）下标）2）质量平衡：反应前后质量不变（对杂质而言，）质量平衡：反应前后质量不变（对杂质而言，看主体看主体）3）电荷平衡：两边有效电荷相同（看上标）电荷平衡：两边有效电荷相同（看上标）缺陷方程缺陷方程3)色心色心在在晶体中，吸收光波的基本单位，通常为色心，一个色晶体中，吸收光波的基本单位，通常为色心，一个色心是一

12、个吸收光波的点阵缺陷。如点阵空位俘获一个自由电心是一个吸收光波的点阵缺陷。如点阵空位俘获一个自由电子或一个自由空穴时，它才是一个吸收光的集团子或一个自由空穴时，它才是一个吸收光的集团。色心是能色心是能吸可见光的晶体缺陷。吸可见光的晶体缺陷。纯净纯净的卤化碱的卤化碱晶体（晶体（NaCl、KBr）在）在光谱的整个可见光谱的整个可见光波段中是透明的光波段中是透明的，寻常，寻常的点阵空位并不使卤化碱晶体赋色，的点阵空位并不使卤化碱晶体赋色，虽然它会影响紫外区的吸收虽然它会影响紫外区的吸收。有。有好几种方法可使晶体赋色：好几种方法可使晶体赋色：1)引入化学杂质引入化学杂质；2)引入过量的金属引入过量的金

13、属离子：离子：3)x射线或射线或射线辐照，中子或电子射线辐照，中子或电子轰击；轰击；4)电解电解(a)F心心最简单最简单的色心是一个的色心是一个F心这个命名来自德文心这个命名来自德文“Farbe”(彩色彩色)一一词词F心是一个负离子空位和一个受此空位电场束心是一个负离子空位和一个受此空位电场束缚的电子所构成的。缚的电子所构成的。将碱卤晶体置于碱金属蒸汽中加热，而将碱卤晶体置于碱金属蒸汽中加热，而后骤冷，这个过程伴随后骤冷，这个过程伴随F心产生，称为增色过程。同样采用心产生，称为增色过程。同样采用X射线射线辐照，也可以产生辐照，也可以产生F心，使晶体着色。心，使晶体着色。F心的光吸收是由于中心通

14、过电心的光吸收是由于中心通过电偶跃偶跃至一个束缚激发至一个束缚激发态所态所引起引起。色心引起色心引起附加的光吸收带，使晶体附加的光吸收带，使晶体着色着色由于由于F心本身是电中性的（一个空位心本身是电中性的（一个空位h&一个电子一个电子e）,所以一般来讲，所以一般来讲，它在电场作用下不发生移动，但在一定温度条件下，其中部分它在电场作用下不发生移动，但在一定温度条件下，其中部分F心发生心发生解离，解离了的电子和留下的空位分别带来负电荷和正电荷，因此在外解离，解离了的电子和留下的空位分别带来负电荷和正电荷，因此在外加电场下，将向正负电极方向移动，引起离子导电，同时使晶体褪色。加电场下，将向正负电极方

15、向移动，引起离子导电，同时使晶体褪色。俘获电子的色心存在多种形式，如俘获电子的色心存在多种形式，如当一个点阵空位俘获两个电子时，当一个点阵空位俘获两个电子时，形成形成F心，两个近邻的心，两个近邻的F心便构成心便构成了了F2心，三个近邻的心，三个近邻的F心构成心构成F3心，心，两个相邻的负离子空位俘获一个电两个相邻的负离子空位俘获一个电子构成子构成R心，两个相邻的负离子空心，两个相邻的负离子空位和一个近邻的正离子空位俘获一位和一个近邻的正离子空位俘获一个电子形成一个个电子形成一个M心心.(b)V心心V心是由一个正离子空位俘获一个空穴所构成，它是心是由一个正离子空位俘获一个空穴所构成，它是F心的反

16、型体心的反型体。此外，还有。此外，还有V2心，心，V3心，心，V4心等分别为心等分别为F2心，心，R心和心和M心等的反型体，其缔合体分别表示于下图：心等的反型体，其缔合体分别表示于下图：获得方式：将碱卤晶体（获得方式：将碱卤晶体（KBr、KI等）在卤素蒸汽中加热等）在卤素蒸汽中加热而后骤冷，则晶体中将出现一些而后骤冷，则晶体中将出现一些V心，含心，含Br过量的过量的KBr晶晶体在紫外区出现体在紫外区出现V心吸收带。心吸收带。点缺陷点缺陷的平衡浓度的平衡浓度 点缺陷点缺陷是热力学稳定的是热力学稳定的缺陷缺陷即即在一定在一定温度下温度下具有一具有一定数量的空位浓度（定数量的空位浓度（C C）。）。

17、 nN空位数空位数(n)与原子总数与原子总数(N)之比之比.UV.单个空位的形成能单个空位的形成能K.波尔茲曼常数波尔茲曼常数1.381023J/mol.KT绝对温度绝对温度()A为常数为常数由上式可知由上式可知: 1.T : 1.T 越高越高, , 空位浓度（空位浓度（C C）越大；）越大； 2. 2.U UV V越小越小, , 空位浓度（空位浓度（C C）也越大）也越大。VnuCAexp -KTN点缺陷点缺陷的特性以及对性能的影响的特性以及对性能的影响1.1.点缺陷是热力学平衡缺陷，点缺陷是热力学平衡缺陷，T TC C 。例如：已知铜中例如：已知铜中U UV V=1.7=1.71010-1

18、9-19J J，A A取取1 1，则，则: :T100K300K500K700K900K1000Kn/N10-5710-1910-1110-8.110-6.310-5.7 3 3金属晶体：金属晶体：C C电阻电阻导电性能导电性能，点缺陷导致，点缺陷导致晶体体积晶体体积 （增加量：增加量：0.50.5个原子体积个原子体积/ /空位，空位，1-21-2原子体积原子体积/ /间隙）间隙）VnuCAexpKTN2.2.空位形成能空位形成能U UV V越大，空位浓度越小。越大，空位浓度越小。4)非化学计量缺陷非化学计量缺陷组成化合物的原子或者离子一般具有固定的化学计量组成化合物的原子或者离子一般具有固定

19、的化学计量比，其比值不会随着外界条件而变化的化合物称为准化学比，其比值不会随着外界条件而变化的化合物称为准化学计量化合物。计量化合物。一些化合物的化学组成会明显地随着周期气氛性质和一些化合物的化学组成会明显地随着周期气氛性质和压力大小的变化而发生组成偏离化学计量的现象，由此产压力大小的变化而发生组成偏离化学计量的现象，由此产生的晶体缺陷称为非化学计量缺陷。生的晶体缺陷称为非化学计量缺陷。l 化学元素是由不可再分的物质微粒原子组成的；原子是不可改变的，在化学反应中原子仅是重新排列组合，不会创生或消失；l 化合物由分子组成，分子由原子组成；同一元素的所有原子相同，不同元素的原子不同；l 只有以整数

20、比例的元素的原子相结合时，才会发生化只有以整数比例的元素的原子相结合时，才会发生化合。合。1803年，英国化学家道尔顿提出以下定比定律： 实际化合物中，有些化合物的正负离子的比例并不是一个固定的简单比例关系，不符合定比定律，这些化合物称为非化学计量化合物。非化学计量主要由化合物中点缺陷所致，因此本节将对非化学计量化合物进行讨论。l非化学计量比化合物中的缺陷种类、浓度受环境气氛性质、非化学计量比化合物中的缺陷种类、浓度受环境气氛性质、压力以及温度等因素影响。压力以及温度等因素影响。l非化学计量化合物可以看作是混合价化合物，即高价化合非化学计量化合物可以看作是混合价化合物，即高价化合物与低价化合物

21、的固溶体。物与低价化合物的固溶体。 l非化学计量化合物都是半导体。半导体材料分为两大类：非化学计量化合物都是半导体。半导体材料分为两大类：一是掺杂半导体，如一是掺杂半导体，如SiSi、GeGe中掺杂中掺杂B B、P P，SiSi中掺中掺P P为为n n型半型半导体；二是非化学计量化合物半导体，又分为金属离子过导体；二是非化学计量化合物半导体，又分为金属离子过剩（剩（n n型）（包括负离子缺位和间隙正离子）和负离子过型）（包括负离子缺位和间隙正离子）和负离子过剩（剩（p p型）（正离子缺位和间隙负离子）型）（正离子缺位和间隙负离子） 非化学计量化合物的特点p非化学计量缺陷的浓度与气氛的性质及大小

22、有关，这是它和别的缺陷的最大不同之处。p缺陷的浓度也与温度有关。类 型 半 导 体 化 合 物 类 型 半 导 体 化 合 物 I II III n n p KCl， NaCl， KBr， TiO2， CeO2， PbS ZnO， CdO UO2 IV P Cu2O， FeO， NiO，ThO2， KBr， KI， PbS，SnS， CuI， FeS， CrS 典型的非化学计量的二元化合物 （1）热天平微重量法，这种方法可用来测定不定比化合物中组成的相对变化；（2）密度和晶胞参数的X射线精确测定。（3）化学分析法，测定多组分固溶体中非正常态原子的价态变化。XPS（4）电导率法，电导率的测定多用

23、于鉴定氧化物和硫化物晶体的点缺陷。此外，可选用波谱分析法，核磁共振等。LGS晶体不晶体不同氧分压下同氧分压下电导率随温电导率随温度的变化度的变化施主施主5%Nb掺杂掺杂LGS晶体不同晶体不同氧分压下电导率随温度的变化氧分压下电导率随温度的变化受主受主1%Sr掺杂掺杂LGS晶体不同氧晶体不同氧分压下电导率随温度的变化分压下电导率随温度的变化线缺陷线缺陷（一维（一维）：在）：在某一方向上缺陷区的尺寸可某一方向上缺陷区的尺寸可以与晶体或晶粒的线度相比拟的缺陷。如：位错以与晶体或晶粒的线度相比拟的缺陷。如：位错。l位错：位错：沿沿一平面，晶体的一部分相对于另一部分发一平面，晶体的一部分相对于另一部分发

24、生滑移时，在滑移部分与未滑移部分的交界处晶生滑移时，在滑移部分与未滑移部分的交界处晶格容易发生错位，这种线缺陷称为位错格容易发生错位，这种线缺陷称为位错l位错位错是晶体中的线缺陷，它是晶体中已滑移区与未是晶体中的线缺陷，它是晶体中已滑移区与未滑移区的滑移区的界限。界限。位错线照片位错线照片 我们实验室我们实验室LGN晶体位错研究结果晶体位错研究结果位错位错的滑移的滑移通过通过金相显微镜观察表明，当一金相显微镜观察表明，当一金属晶体被拉伸时，拉伸力若超过弹金属晶体被拉伸时，拉伸力若超过弹性限度，晶体会产生如性限度，晶体会产生如图所图所示的沿某示的沿某一族晶面发生滑移的现象而且结构一族晶面发生滑移

25、的现象而且结构相同的晶体，滑移方向和滑移面通常相同的晶体，滑移方向和滑移面通常是相同是相同的。的。 晶体滑移示意图 典型典型的位错有两种的位错有两种：一一是是刃位错，二是螺刃位错，二是螺位错位错.1 1刃位错刃位错 （滑移方向与位错线垂直）（滑移方向与位错线垂直）一个处在滑移面一个处在滑移面ABCD中的中的刃形位错。图中刃形位错。图中ABEF是滑是滑移区，其中原子的相对位移区，其中原子的相对位移超过晶格常量移超过晶格常量的一半的一半;FECD是未滑移区，其中原是未滑移区，其中原子的相对位移小于晶格常子的相对位移小于晶格常量的一半。量的一半。滑移矢量滑移矢量b刃形位错的结构。晶体中的形变可以看作

26、是由于刃形位错的结构。晶体中的形变可以看作是由于在在某一方向某一方向轴轴的上半部分插入了一片额外的原子面所产生。这个原子面的插的上半部分插入了一片额外的原子面所产生。这个原子面的插入使上半部分晶体中的原子受到挤压，而使下半部分晶体中的入使上半部分晶体中的原子受到挤压，而使下半部分晶体中的原子受到拉伸。原子受到拉伸。l位错线垂直于位错线垂直于滑移矢量滑移矢量b，位错线与滑移矢量构成的面称位错线与滑移矢量构成的面称为滑移面。为滑移面。l刃型位错周围的晶体产生畸变，使位错线周围产生弹性刃型位错周围的晶体产生畸变，使位错线周围产生弹性应变，造成应力场。应变，造成应力场。l在位错线周围的畸变区原子有较高

27、的能量，该区只有几在位错线周围的畸变区原子有较高的能量，该区只有几个原子宽，所以该区称线缺陷。个原子宽，所以该区称线缺陷。螺型位错模型螺型位错模型上层原子上层原子下层原子下层原子EFABCDbEFDABCl单晶受切应力单晶受切应力作用，上下两作用，上下两部分晶体沿滑移面发生了部分部分晶体沿滑移面发生了部分滑移。滑移。l滑移区与未滑移区交线为滑移区与未滑移区交线为EF， EF线周围的原子失去了正常排线周围的原子失去了正常排列。列。l它们围绕着它们围绕着EF构成了一个以构成了一个以EF为轴的为轴的螺旋面，这种晶体缺陷螺旋面，这种晶体缺陷称为螺位错。称为螺位错。 结构特点：结构特点： 螺位错线与滑移

28、矢量平行，因此由位错线与滑螺位错线与滑移矢量平行，因此由位错线与滑 移矢量构成的滑移面不是唯一的。移矢量构成的滑移面不是唯一的。 螺位错不引起体积膨胀和收缩，但产生剪切畸螺位错不引起体积膨胀和收缩，但产生剪切畸 变，从而在位错线附近产生应力场。变，从而在位错线附近产生应力场。 螺位错是包含几个原子宽度的线缺陷。螺位错是包含几个原子宽度的线缺陷。螺旋长大的螺旋长大的SiCSiC晶体照片晶体照片透射电镜下钛合金中的位错线透射电镜下钛合金中的位错线高分辨率电镜下的刃位错高分辨率电镜下的刃位错（白点为原子）（白点为原子）1）晶体生长）晶体生长过程中产生过程中产生位错；位错；2）由于）由于自高温较快凝固

29、及冷却时晶体内存在大量过饱和空自高温较快凝固及冷却时晶体内存在大量过饱和空位位，空位，空位的的聚集能聚集能形成形成位错；位错；3）晶体）晶体内部的某些内部的某些界面（界面（如第二相质点如第二相质点、孪晶、晶界、孪晶、晶界等等）和和微裂纹的附近微裂纹的附近，由于，由于热应力和组织应力的作用热应力和组织应力的作用，往往，往往出现出现应力集中现象应力集中现象，当，当此应力高至足以使此应力高至足以使该局部该局部区域发生滑移时，区域发生滑移时，就在该区域产生位错。就在该区域产生位错。l在位错线附近，晶格是不完整的，位借线上的原子价不饱在位错线附近，晶格是不完整的，位借线上的原子价不饱和，因而它有吸引杂质

30、原子以降低其弹性能的倾向，所以，和，因而它有吸引杂质原子以降低其弹性能的倾向，所以，位错处往往是杂质富集位错处往往是杂质富集的地方的地方。l在位借周围，杂质原子的富集，位错可以作为一个空位源，在位借周围，杂质原子的富集，位错可以作为一个空位源，也可以作为一个空位的消除点，位借作与滑移面成一定角也可以作为一个空位的消除点，位借作与滑移面成一定角度的运动可以促进空位或间隙原子）的产生或消灭，即位度的运动可以促进空位或间隙原子）的产生或消灭，即位错运动产生或消灭空位。错运动产生或消灭空位。l 晶体晶体面缺陷，指晶体的表面和多晶体的晶界，即在晶面缺陷，指晶体的表面和多晶体的晶界，即在晶面两侧原子的排列

31、不同，面两侧原子的排列不同，是二维方向的排列缺陷是二维方向的排列缺陷。l 晶体晶体不同晶面的不同晶面的表面能表面能数值不同，密排面的表面能最数值不同，密排面的表面能最低，故晶体总是力图以密排面作为晶体的外表面低，故晶体总是力图以密排面作为晶体的外表面。晶体中的面缺陷主要有表面、晶界、相界等。l晶体表面晶体表面 固体材料与外界气体或液体接触的界面。固体材料与外界气体或液体接触的界面。l晶体表面上的原子受内外原子或分子作用力不均衡，造晶体表面上的原子受内外原子或分子作用力不均衡，造成表面原子偏离其正常平衡位置，并因而牵连到邻近的成表面原子偏离其正常平衡位置，并因而牵连到邻近的几层原子，造成表面层的

32、晶格畸变。几层原子，造成表面层的晶格畸变。l晶体以不同的晶面为表面，其表面能是不同的。晶体以不同的晶面为表面，其表面能是不同的。l一般密排面表面能最低，易于裸露在外，因此自由生长一般密排面表面能最低，易于裸露在外，因此自由生长的单晶常的单晶常具有晶形具有晶形。属于属于同一固相但位向不同同一固相但位向不同的晶粒之间的界面称为的晶粒之间的界面称为晶界；而每个晶界；而每个晶粒有时又由若干个位向稍有差异的亚晶晶粒有时又由若干个位向稍有差异的亚晶粒所组成粒所组成，相邻，相邻亚晶粒间的界面亚晶粒间的界面称为亚晶界。称为亚晶界。l晶粒晶粒的平均直径通常的平均直径通常在在0.015-0.25mm范围范围内内，

33、而，而亚晶粒的平均直径则通常亚晶粒的平均直径则通常为为0.001mm的的范围内。范围内。l二二维点阵中晶界位置可用两个晶粒的位向维点阵中晶界位置可用两个晶粒的位向差差和和晶界相对于一个点阵某晶界相对于一个点阵某一平面一平面的的夹角夹角来确定。来确定。根据根据相邻晶粒之间位向相邻晶粒之间位向差差角角的大小的大小不同可不同可将晶界分为两将晶界分为两类类：l1）小角度小角度晶界晶界l2）大角度）大角度晶界晶界（2 2）晶界和亚晶界）晶界和亚晶界DBAbDb1. 1. 小角度晶界小角度晶界 两相邻晶粒的位相差两相邻晶粒的位相差 10的晶界叫做大角晶界的晶界叫做大角晶界。多晶体中。多晶体中9090以上的

34、晶以上的晶界属于此类。为高缺陷区域界属于此类。为高缺陷区域。l研究表明，大角晶界只是几个埃的很狭窄的过渡区，原子排列较不研究表明，大角晶界只是几个埃的很狭窄的过渡区，原子排列较不规则，不能用具体模型描述。一般认为它由某些原子排列规则的好规则，不能用具体模型描述。一般认为它由某些原子排列规则的好区与排列紊乱的坏区所组成。区与排列紊乱的坏区所组成。孪晶界面结构孪晶界面结构奥氏体孪晶奥氏体孪晶 3 3、孪晶界、孪晶界孪晶孪晶界：界：晶粒内部具有特殊取向的两相邻区域，晶粒内部具有特殊取向的两相邻区域，原子原子相相对某晶面呈对某晶面呈镜面对称排列镜面对称排列，这两相邻区组成一对，这两相邻区组成一对孪孪晶

35、。晶。其界面叫孪晶界。其界面叫孪晶界。相界：具有不同晶体结构，不同化学成分相界：具有不同晶体结构，不同化学成分的两相之间的界面。的两相之间的界面。l按结构特点分类：按结构特点分类：l1 1）共格相界）共格相界l2 2）半共格相界）半共格相界l3 3）非共格相界）非共格相界l完全共格界面：完全共格界面：( (界面能最低界面能最低) ) 界面上的原子为相邻两个晶粒所共有。界面上的原子为相邻两个晶粒所共有。 当两晶区晶面间距相等或稍有错配时才可能形成。理当两晶区晶面间距相等或稍有错配时才可能形成。理想想完全共格界面完全共格界面一般少见，在实际晶体中，界面两侧的一般少见，在实际晶体中，界面两侧的晶面间

36、距稍有晶面间距稍有错配错配时，界面附近有应变。时，界面附近有应变。当两相邻的晶粒的晶面间距相差很大时，界面上的当两相邻的晶粒的晶面间距相差很大时，界面上的原子排列完全不吻合，出现高缺陷分布的界面。原子排列完全不吻合，出现高缺陷分布的界面。 当相邻晶粒的晶面间距相差较大时，将由若干位当相邻晶粒的晶面间距相差较大时，将由若干位错来补偿其错配，出现共格区与非共格区相间界面。错来补偿其错配，出现共格区与非共格区相间界面。AB半共格界面中的半共格界面中的共格区共格区A +A +非共格区非共格区B Bl掺掺钕钕石榴石石榴石(Y3Al5O12)熔熔体有如下特点：体有如下特点：熔点高熔点高、熔体粘度大、结晶潜

37、热大、激活离、熔体粘度大、结晶潜热大、激活离子子Nd在钇铝石榴石晶体基质中的分凝系数小，在钇铝石榴石晶体基质中的分凝系数小，容易产生组分过冷。容易产生组分过冷。l所以所以无论用电阻加热还是感应加热无论用电阻加热还是感应加热生长生长，温度场温度场的设计和温度稳定的控制的设计和温度稳定的控制是长出优是长出优Nd:YAG晶体的关键。晶体的关键。l在生长过程中在生长过程中“云层云层”和和“内核内核”是最容易是最容易产生的产生的缺陷。缺陷。l形成原因Nd3+与Y3+半径不一样空间位置效应Y3+离子不易为Nd3+离子所取代，Y3+离子又不生成石榴石相Nd3+分凝系数比较小排杂作用成分过冷在晶体中形成Nd3

38、+析出物富集层“云层”或失透温度波动、熔体中温度梯度较小、过快的生长速度、或温度场不合适时甚温度波动、熔体中温度梯度较小、过快的生长速度、或温度场不合适时甚为严重。如果熔体中的温度梯度比较大，就可以为严重。如果熔体中的温度梯度比较大，就可以“掩蔽掩蔽”组分过冷，减少组分过冷，减少“云层云层”形成的可能性形成的可能性l“云层云层”的出现是宏观的缺陷，它严重地破坏晶体的完整的出现是宏观的缺陷，它严重地破坏晶体的完整性、透明度和晶体的尺寸性、透明度和晶体的尺寸l消除方法：消除方法：l1、降低生长速度是目前一个有效办法。降低生长速度使单位时间泄、降低生长速度是目前一个有效办法。降低生长速度使单位时间泄

39、回熔体的回熔体的Nd3+离子量减少，即减少了固液界面附近离子量减少，即减少了固液界面附近Nd3+离子浓度，可离子浓度，可达到减小达到减小Nd3+离子引起的组分过冷，来消除离子引起的组分过冷，来消除“云层云层”.l2、也有人试验在生长、也有人试验在生长Nd:YAG晶体时同时掺杂三价稀土离子晶体时同时掺杂三价稀土离子Gd3+或或Lu3+，想以尺寸补偿来提高，想以尺寸补偿来提高Nd3+离子在钇铝石榴石晶体中的分凝系数，离子在钇铝石榴石晶体中的分凝系数，以利于消除以利于消除“云层云层”和提高和提高Nd3+离子在钇铝石榴石中的离子在钇铝石榴石中的浓度浓度.蓝宝石晶柱中的夹杂物蓝宝石晶柱中的夹杂物 包裹体

40、包裹体l核芯是指晶体中沿中轴存在的一个折射率较高的部分核芯是指晶体中沿中轴存在的一个折射率较高的部分l造成内核的原因，是由于小晶面的形成。小晶面的形成是指在生造成内核的原因，是由于小晶面的形成。小晶面的形成是指在生长着晶体的固液界面上发展出平坦部分来，小晶面往往发生于凝长着晶体的固液界面上发展出平坦部分来，小晶面往往发生于凝固等温线的平行于低指数晶面部分。固等温线的平行于低指数晶面部分。低指数晶面上成核生长比较困难小晶面杂质沉积应变均匀性l消除方法消除方法l要避免小晶面的形成，必须变更凝固等温线的形状，使其不与小晶面的要避免小晶面的形成，必须变更凝固等温线的形状，使其不与小晶面的平面平行。譬如

41、，过分陡锐的固液界面，可限制小晶面只形成在近晶体平面平行。譬如，过分陡锐的固液界面，可限制小晶面只形成在近晶体中心的极小范围内；或者，索性使等温线成为平坦形，从而产生一个几中心的极小范围内；或者，索性使等温线成为平坦形，从而产生一个几乎平面的固液体界面，可完全遏止小晶面乎平面的固液体界面，可完全遏止小晶面l在温梯法中，由于界面较平，还可以采用在温梯法中，由于界面较平，还可以采用001方向生长晶体来进一步抑方向生长晶体来进一步抑制制“核芯核芯”的形成的形成l无论温梯法和提拉法均不宜采用无论温梯法和提拉法均不宜采用110方向生长，因为除了方向生长，因为除了112小面外，小面外，还有还有110小面，其与生长方向的夹角为小面，其与生长方向的夹角为0，即无论界面为何形状，都，即无论界面为何形状，都会产生会产生“核芯核芯”。1、ZnO过量的过量的Zn原子原子可以溶解可以溶解在在ZnO晶体晶体中，进中，进入晶格的间隙位置，形成间隙型入晶格的间隙位置，形成间隙型离子离子缺陷，同时缺陷，同时它把两个电子松弛地束缚在其周围，对外不表现它把两个电子松弛地束缚在其周围，对外不表现出带电性。但这两出带电性。但这两个电子个电子是亚稳定的，很容易被是亚稳定的，很容易被激发到导带中去，成为准自由电子，