晶体中的缺陷和扩散

1、晶体中的缺陷和扩散第1页，共56页，2022年，5月20日，18点15分，星期三2. Frenkel缺陷 Frenkel缺陷: 空位间隙原子对 空位和Frenkel缺陷的成因都是由于晶格原子的热振动，因此这两种点缺陷也称为热缺陷。 形成一个Frenkel缺陷要比形成一个空位所需的能量多些，因而也更难些。第2页，共56页，2022年，5月20日，18点15分，星期三3. 杂质原子 当晶体中的杂质以原子状态在晶体中形成点缺陷时，称为杂质原子。 替位式杂质（代位式杂质）K Cl K Cl KCl K Cl K Cl K Cl K Cl KCl K Cl K ClK Cl K Cl KCl K Cl

2、K Cl Ca2 填隙式杂质 缺位式杂质第3页，共56页，2022年，5月20日，18点15分，星期三4. 色心Na Cl Na Cl Na ClCl Na Cl Na Cl Na Na Cl Na Na ClCl Na Cl Na Cl Na Na Cl Cl Na ClCl Na Cl Na Cl Na NaNa-e色心的产生 如将NaCl晶体放在Na金属蒸气中加热，然后再骤冷 至室温，就可在NaCl晶体中产生色心。 用X射线或 射线辐照、用中子或电子轰击晶体。第4页，共56页，2022年，5月20日，18点15分，星期三二、线缺陷EFAB 螺位错： 刃位错：第5页，共56页，2022年，

3、5月20日，18点15分，星期三 常见的面缺陷：晶粒间界、挛晶界、小角晶界和层错等 三、面缺陷层错：晶体中的某个原子层发生堆积错误fcc晶体中的正常堆积次序：ABCABC 体缺陷，如：空洞、气泡和包裹物等fcc晶体中的层错: ABCABABC 第6页，共56页，2022年，5月20日，18点15分，星期三4.2 热缺陷一、热缺陷的平衡数目 由热力学可知，在等温过程中，当热缺陷数目达到平衡时，系统的自由能取极小值：空位的平衡数目晶体中原子总数：N形成一个空位所需能量：u1晶体中所形成的空位数: n1 （N n1 ）第7页，共56页，2022年，5月20日，18点15分，星期三由于晶体中出现空位，

4、系统自由能的改变：晶体中没有空位时，系统原有的微观状态数为W0，由于出现空位，系统的微观状态数增加W1，有：W W0 W1假设W0和W1相互独立， ， W：系统可能出现的微观状态数第8页，共56页，2022年，5月20日，18点15分，星期三达到平衡时在N+n1个原子位置中出现n1个空位，其微观状态数为：于是有 第9页，共56页，2022年，5月20日，18点15分，星期三利用Stirling公式，当x很大时，有：第10页，共56页，2022年，5月20日，18点15分，星期三晶体中间隙原子位置的总数：N形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）在一定温度下，

5、间隙原子的平衡数目为：2. 间隙原子的平衡数目第11页，共56页，2022年，5月20日，18点15分，星期三同理，可求出晶体中Frenkel缺陷的平衡数目为：其中，nfn1n2 ，ufu1u2为形成一个Frenkel缺陷所需的能量。 由于u1 0 xN第18页，共56页，2022年，5月20日，18点15分，星期三约束条件：解：第19页，共56页，2022年，5月20日，18点15分，星期三x2lnn(x)0测量扩散系数常用的实验方法：示踪原子法第20页，共56页，2022年，5月20日，18点15分，星期三例2：一半无限大晶体，若保持扩散物质在晶体一表面 上的浓度n0不变，在一定温度下，经

6、过一段时间 的扩散，求扩散物质在晶体中的分布。初始条件和边界条件分别为：n(x, 0) = 0 , x 0n(0, t) = n0 , t 0扩散方程：第21页，共56页，2022年，5月20日，18点15分，星期三解为： 误差函数（概率积分）第22页，共56页，2022年，5月20日，18点15分，星期三扩散系数与温度有密切关系，温度越高，扩散就越快。实验发现，若温度变化范围不太宽，那么，扩散系数与温度的关系为2. 扩散系数与温度的关系D0：常数R ：气体常数Q ：扩散激活能第23页，共56页，2022年，5月20日，18点15分，星期三1/T0lnD第24页，共56页，2022年，5月20

7、日，18点15分，星期三二、扩散的微观机制由面1向面2流动的净原子流密度：原子在相邻两次跳跃的时间间隔12d圆柱体高：d底面面积：dS1d第25页，共56页，2022年，5月20日，18点15分，星期三扩散系数的微观表达式：主要由所需等待的时间来决定原子扩散的微观机制： 空位机制：扩散原子通过与周围的空位交换位置 进行扩散 易位机制：扩散原子通过与周围几个原子同时交换 位置进行扩散 间隙原子机制：扩散原子通过从一个间隙位置跳到 另一个间隙位置进行扩散第26页，共56页，2022年，5月20日，18点15分，星期三空位机制da扩散系数的表达式：1：原子每跳一步所需等待的时间 n1/N ：在扩散原

8、子周围出现空位的概率第27页，共56页，2022年，5月20日，18点15分，星期三u1小，E1小，扩散激活能Q低，扩散就越快。与比较估算：a 3 10-10 m，0 1012 s-1 D0理论 10-8 m2/sD0实验 10-4 m2/s 原因：有些影响扩散过程的因素未考虑第28页，共56页，2022年，5月20日，18点15分，星期三 对于原子的自扩散和晶体中替位式杂质或缺位式杂质的异扩散，一般可以认为是通过空位机制扩散的。一些元素在Pb中的扩散系数的实验值（285C）元素PbSnFeAgAuD0 (10-4 m2/s)4.345.7 10-27.5 10-23.5 10-1Q (kca

9、l/mol)28.026.221.015.214.0D (10-4 m2/s)710-111.6 10-103.6 10-109.1 10-84.6 10-6第29页，共56页，2022年，5月20日，18点15分，星期三2. 间隙原子机制d = a 填隙式杂质在晶体中的扩散一般可认为是通过间隙原子机制扩散的。第30页，共56页，2022年，5月20日，18点15分，星期三 实际上，影响扩散系数的因素很多，如晶体的其他缺陷：位错、层错、晶粒间界等都对扩散过程有影响。而各种影响因素主要都是通过影响扩散激活能Q表现出来的。所以，在研究原子的扩散过程中，扩散激活能是一个非常重要的物理量。 在一般情况

10、下，杂质原子的异扩散要比原子自扩散快。这是因为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，有利于杂质原子的扩散。第31页，共56页，2022年，5月20日，18点15分，星期三4.4 离子导电性一、AX型离子晶体中的点缺陷二、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。空位正离子空位 （）负离子空位 （）间隙离子正填隙（）负填隙（）第32页，共56页，2022年，5月20日，18

11、点15分，星期三以正填隙离子为例设其电荷为q，外电场：离子在电场中受的力：F=q，附加电势能：U(x)=qxqx0 xU(x) qa/2Ea离子运动需越过的势垒：向左：向右：第33页，共56页，2022年，5月20日，18点15分，星期三离子越过势垒的频率 向右向左单位时间内，离子净向右越过势垒的次数：第34页，共56页，2022年，5月20日，18点15分，星期三离子向右运动的漂移速度弱场条件，即一般条件下：第35页，共56页，2022年，5月20日，18点15分，星期三 离子迁移率估算得：第36页，共56页，2022年，5月20日，18点15分，星期三三、离子导电率离子定向迁移的电流密度离

12、子导电率：n：单位体积中正填隙离子数目 填隙离子的扩散系数：第37页，共56页，2022年，5月20日，18点15分，星期三 Einstein关系离子导电率与温度的关系为 Arrhenius关系Q为离子导电激活能 1/Tln(T)ln0第38页，共56页，2022年，5月20日，18点15分，星期三固体电解质或快离子导体：具有较高离子导电性的材料。固体电解质的定义范围要宽一些，而快离子导体一般是指在较低温度下（300 C以下）具有高离子导电性 10-3 (cm)-1 的材料。RbCu4Cl3I2 在25 C时 0.44 (cm)-1 固体电解质：如 YSZ (yttria stabilized

13、 zirconia) 在1000 C 时 10-1 (cm)-1 快离子导体：如 AgI 在146 C时 1 (cm)-1 Na-Al2O3 在300 C时 1 (cm)-1第39页，共56页，2022年，5月20日，18点15分，星期三4.5 位错一、金属的范性形变F双原子链刚性滑移模型dx 1切变角：切应力：G：切变模量第40页，共56页，2022年，5月20日，18点15分，星期三c理论：103 104 kg/cm2问题：当 x 为多大时，会发生范性形变？初略估算：x d ，为一分数金属临界切应力的实验值c实验 1 kg/cm2 ，比理论值低 3 4个数量级。一般金属：G 105 kg/

14、cm2精细的理论计算：第41页，共56页，2022年，5月20日，18点15分，星期三金属滑移机制的假说： 滑移不是在整个晶面同时发生的，而是先在某个局部区域发生滑移，然后滑移区域逐渐扩大，直至整个晶面出现宏观滑移。第42页，共56页，2022年，5月20日，18点15分，星期三 滑移过程是滑移区不断扩大的过程，而位错线正是滑移区的边界线，所以，滑移过程就表现为位错在滑移面上的运动过程。 由于位错本身是动力学的非稳定平衡，因此，在外力的作用下非常容易发生运动。 理论计算表明，使位错滑移所需的临界切应力约为10 kg/cm2的数量级，相当接近于金属临界切应力的实验值。第43页，共56页，2022

15、年，5月20日，18点15分，星期三 几乎所有晶体中都存在位错，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造成金属强度大大低于理论值的最主要原因。一根直径为100 nm的Ni单晶须，可以弯曲成直径为几十m的环状。30 m不含位错的金属晶须的确具有相当接近于理论值的强度。第44页，共56页，2022年，5月20日，18点15分，星期三二、位错位错的定义 刃位错：正位错（）和负位错（） （相对）Burgers回路b参考回路 螺位错：左旋螺位错和右旋螺位错 （绝对） ：Burgers矢量第45页，共56页，2022年，5月20日，18点15分，星期三

16、Burgers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区分开来Burgers矢量实际上就是推移矢量位错的定义：Burgers矢量不为零（ ）的线缺陷刃位错： 垂直于位错线螺位错： 平行于位错线第46页，共56页，2022年，5月20日，18点15分，星期三2. 位错的滑移位错的滑移：在外加切应力的作用下，位错线在滑移面 内的运动滑移面：Burgers矢量与位错线所确定的平面外加切应力的剪切面位错滑移的条件：滑移面必须是外加切应力的剪切面第47页，共56页，2022年，5月20日，18点15分，星期三bb 对于刃位错，滑移面唯一确定，因此，要使刃位错滑移，外加切应力必须垂直于位错线

17、。 对于螺位错， 其滑移面不唯一确定，而与外加切应力有关。使螺位错滑移，外加切应力则平行于位错线。第48页，共56页，2022年，5月20日，18点15分，星期三 位错的攀移：刃位错垂直于滑移面的运动。位错的攀移总是伴随着空位（或间隙原子）的产生或消灭的。第49页，共56页，2022年，5月20日，18点15分，星期三3. 位错的产生与增殖(1) 位错的产生 晶体机械加工时，晶体局部受机械应力的作用 在晶体生长过程中，由籽晶引入位错 由晶体中的热应力而引起的位错 晶体中杂质的不均匀偏析，使局部晶格发生畸变 高温下生长的晶体，在降温过程中，空位的凝聚第50页，共56页，2022年，5月20日，18点15分，星期三定义：位错密度(2) 位错密度位错密度就等于单位晶体表面上的位错露头数S第51页，共56页，2022年，5月20日，18点15分，星期三(3) 位错的增殖a. L型位错源OABbOA第52页，共56页，2022年，5月20日，18点15分，星期三b. U型位错源（Frank-Reed源）ABOOb第53页，共56页，2022年，5月20日，18点15分，星期三在Si单