晶体的点缺陷课件

晶体的点缺陷朱旻昊摩擦学研究所晶体的点缺陷KLATM材料先进技术教育部重点实验室2

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概述点缺陷的种类及其形成点缺陷的平衡浓度点缺陷的运动KLATM材料先进技术教育部重点实验室2目录

KLATM材料先进技术教育部重点实验室3Defectofcrystal晶体缺陷def.:

晶体中原子排列不规则、不完整的区域。对理想晶体的偏离分类：点缺陷（pointdefect）：空位、间隙原子、……线缺陷（linedefect）：位错面缺陷（planardefect）：表面、界面、层错、……体缺陷：孔洞KLATM材料先进技术教育部重点实验室3DefectKLATM材料先进技术教育部重点实验室4Defectofcrystal晶体缺陷的影响：晶体性能原子扩散变形行为、断裂、疲劳等相变热处理……KLATM材料先进技术教育部重点实验室4DefectKLATM材料先进技术教育部重点实验室5

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概述点缺陷的种类及其形成点缺陷的平衡浓度点缺陷的运动KLATM材料先进技术教育部重点实验室5目录

KLATM材料先进技术教育部重点实验室6DefinitionofPointDefect点缺陷特征：三维空间的各方向上尺寸均很小，即处于原子尺度。零维缺陷（zero-dimensionaldefect）KLATM材料先进技术教育部重点实验室6DefinitKLATM材料先进技术教育部重点实验室7SortsofPointDefect分类空位（Vacancy）间隙原子（Interstitialstom）置换原子（Substitutionalatom）脱位原子色心（离子晶体）纯金属：仅有空位、间隙原子、脱位原子KLATM材料先进技术教育部重点实验室7SortsoKLATM材料先进技术教育部重点实验室8Formationofvacancy空位def.:在晶体点阵中,从原来应有原子存在的一个阵点取走原子。空位形成取走的原子的去处迁移至晶体表面或界面：肖克基空位（Schottkyvacancy）挤入晶体间隙位置：弗仑克尔空位（Frankelvacancy）跳入其它空位：空位迁移（migrationofvacancies）KLATM材料先进技术教育部重点实验室8FormatiKLATM材料先进技术教育部重点实验室9PointdefectincrystalsKLATM材料先进技术教育部重点实验室9PointdKLATM材料先进技术教育部重点实验室10Formationofvacancy空位形成造成的结果：破坏点阵的周期排列晶体产生膨胀：1个空位约增加1/2个原子体积引起少量点阵畸变（latticedistortion）KLATM材料先进技术教育部重点实验室10FormatKLATM材料先进技术教育部重点实验室11Formationofinterstitalatom间隙原子def.：进入晶体点阵间隙位置的原子形成晶体自身固有原子形成：自由间隙原子表面原子跳到晶体的间隙外来尺寸较小的杂质原子间隙位置通常是晶体的最大间隙位置KLATM材料先进技术教育部重点实验室11FormatKLATM材料先进技术教育部重点实验室12Pointdefectincrystals空位间隙原子KLATM材料先进技术教育部重点实验室12PointKLATM材料先进技术教育部重点实验室13溶质原子形成的点缺陷KLATM材料先进技术教育部重点实验室13溶质原子形成KLATM材料先进技术教育部重点实验室14晶格间隙位置FCCBCC溶质原子进入晶格间隙最大间隙位置KLATM材料先进技术教育部重点实验室14晶格间隙位置KLATM材料先进技术教育部重点实验室15作业1请计算出fcc和bcc晶体的四面体和八面体间隙的半径。（要求过程）答案Bcc：四面体间隙：0.291R八面体间隙：0.154RFcc：四面体间隙：0.225R八面体间隙：0.41RKLATM材料先进技术教育部重点实验室15作业1请计算KLATM材料先进技术教育部重点实验室16Formationofinterstitalatom间隙原子形成的结果破坏点阵的周期排列晶体产生膨胀：1个间隙原子增加大于1个原子体积的膨胀晶格畸变大于空位KLATM材料先进技术教育部重点实验室16FormatKLATM材料先进技术教育部重点实验室17产生点缺陷的途经热振动点缺陷浓度与温度T有关（热平衡缺陷）温度T越高，浓度C越高淬火：形成大量淬火空位冷加工塑性变形位错位错相互作用点缺陷辐照高能粒子轰击KLATM材料先进技术教育部重点实验室17产生点缺陷的KLATM材料先进技术教育部重点实验室18

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KLATM材料先进技术教育部重点实验室19ThermodynamicsEquilibriumofPointDefect点缺陷点阵畸变内能增加热力学稳定性下降点缺陷原子排列混乱熵增加热力学稳定性增加T一定，点缺陷存在一个平衡浓度其它缺陷不存在此特性！！！KLATM材料先进技术教育部重点实验室19ThermoKLATM材料先进技术教育部重点实验室20Equilibriumconcentrationofvacancy假设：N个原子的晶体，形成n个肖脱基空位因为：

一个原子移至晶体表面所做的功＝空位形成能Ev由热力学第一定律：

DU＝n·Ev

（Q＝0）因为：空位的产生使晶体的熵值增加：组态熵S0

此外，空位形成后将改变邻近原子的热振动频率，使熵增加：空位形成熵Sv

S＝S0+n·SvKLATM材料先进技术教育部重点实验室20EquiliKLATM材料先进技术教育部重点实验室21根据dT=0时，

F=U-T·SF=n·Ev-T·(S0+nSv) =n·Ev-T·S0-n·T·Sv(1)根据统计热力学的波尔兹曼公式

S=k·lnw其中w=(N!)/(N-n)!·n!或

w=(N+n)!/N!·n!S0=kln[(N!)/(N-n)!·n!]=kln[(N+n)!/N!·n!]KLATM材料先进技术教育部重点实验室21根据dTKLATM材料先进技术教育部重点实验室22关于w：微观状态数目n个空位在N个原子位置的可能排列，按排列组合有：n个空位在(N+n)个原子位置的可能排列KLATM材料先进技术教育部重点实验室22关于w：微观KLATM材料先进技术教育部重点实验室23利用stirling公式：lnx!=xlnx-xS0=k[(N+n)ln(N+n)-NlnN-nlnn]代入（1）式

在平衡条件下，自由能为极小，即：KLATM材料先进技术教育部重点实验室23利用stirKLATM材料先进技术教育部重点实验室24因为N>>n空位浓度其中，由振动熵决定（A=1~10)KLATM材料先进技术教育部重点实验室24KLATM材料先进技术教育部重点实验室25空位浓度空位激活能k·N0=RKLATM材料先进技术教育部重点实验室25空位浓度空位KLATM材料先进技术教育部重点实验室26间隙原子浓度Cv和CI的对比：

Ev’=3~4EvCv>>CI所以一般不考虑间隙原子浓度（辐照除外）KLATM材料先进技术教育部重点实验室26间隙原子浓度KLATM材料先进技术教育部重点实验室27作业2推导间隙原子的平衡浓度。KLATM材料先进技术教育部重点实验室27作业2推导间KLATM材料先进技术教育部重点实验室28

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概述点缺陷的种类及其形成点缺陷的平衡浓度点缺陷的运动KLATM材料先进技术教育部重点实验室28目录

KLATM材料先进技术教育部重点实验室29Migrationofpointdefect条件：热振动能量起伏温度的影响温度↑空位迁移几率↑↑(空位浓度对T敏感,因为是指数关系)KLATM材料先进技术教育部重点实验室29MigratKLATM材料先进技术教育部重点实验室30Migrationenergyofvacancy空位迁移能Em（空位激活能）：鞍点状态能量与平衡状态能量之差Em与扩散有关：金的空位迁移能约为0.6~0.8eVKLATM材料先进技术教育部重点实验室30MigratKLATM材料先进技术教育部重点实验室31Disappearanceofpointdefect点缺陷的消失：空位的复合：空位遇间隙原子刃位错的攀移与点缺陷的消失有关KLATM材料先进技术教育部重点实验室31Disapp谢谢谢谢晶体的点缺陷朱旻昊摩擦学研究所晶体的点缺陷KLATM材料先进技术教育部重点实验室34

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KLATM材料先进技术教育部重点实验室35Defectofcrystal晶体缺陷def.:

晶体中原子排列不规则、不完整的区域。对理想晶体的偏离分类：点缺陷（pointdefect）：空位、间隙原子、……线缺陷（linedefect）：位错面缺陷（planardefect）：表面、界面、层错、……体缺陷：孔洞KLATM材料先进技术教育部重点实验室3DefectKLATM材料先进技术教育部重点实验室36Defectofcrystal晶体缺陷的影响：晶体性能原子扩散变形行为、断裂、疲劳等相变热处理……KLATM材料先进技术教育部重点实验室4DefectKLATM材料先进技术教育部重点实验室37

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KLATM材料先进技术教育部重点实验室38DefinitionofPointDefect点缺陷特征：三维空间的各方向上尺寸均很小，即处于原子尺度。零维缺陷（zero-dimensionaldefect）KLATM材料先进技术教育部重点实验室6DefinitKLATM材料先进技术教育部重点实验室39SortsofPointDefect分类空位（Vacancy）间隙原子（Interstitialstom）置换原子（Substitutionalatom）脱位原子色心（离子晶体）纯金属：仅有空位、间隙原子、脱位原子KLATM材料先进技术教育部重点实验室7SortsoKLATM材料先进技术教育部重点实验室40Formationofvacancy空位def.:在晶体点阵中,从原来应有原子存在的一个阵点取走原子。空位形成取走的原子的去处迁移至晶体表面或界面：肖克基空位（Schottkyvacancy）挤入晶体间隙位置：弗仑克尔空位（Frankelvacancy）跳入其它空位：空位迁移（migrationofvacancies）KLATM材料先进技术教育部重点实验室8FormatiKLATM材料先进技术教育部重点实验室41PointdefectincrystalsKLATM材料先进技术教育部重点实验室9PointdKLATM材料先进技术教育部重点实验室42Formationofvacancy空位形成造成的结果：破坏点阵的周期排列晶体产生膨胀：1个空位约增加1/2个原子体积引起少量点阵畸变（latticedistortion）KLATM材料先进技术教育部重点实验室10FormatKLATM材料先进技术教育部重点实验室43Formationofinterstitalatom间隙原子def.：进入晶体点阵间隙位置的原子形成晶体自身固有原子形成：自由间隙原子表面原子跳到晶体的间隙外来尺寸较小的杂质原子间隙位置通常是晶体的最大间隙位置KLATM材料先进技术教育部重点实验室11FormatKLATM材料先进技术教育部重点实验室44Pointdefectincrystals空位间隙原子KLATM材料先进技术教育部重点实验室12PointKLATM材料先进技术教育部重点实验室45溶质原子形成的点缺陷KLATM材料先进技术教育部重点实验室13溶质原子形成KLATM材料先进技术教育部重点实验室46晶格间隙位置FCCBCC溶质原子进入晶格间隙最大间隙位置KLATM材料先进技术教育部重点实验室14晶格间隙位置KLATM材料先进技术教育部重点实验室47作业1请计算出fcc和bcc晶体的四面体和八面体间隙的半径。（要求过程）答案Bcc：四面体间隙：0.291R八面体间隙：0.154RFcc：四面体间隙：0.225R八面体间隙：0.41RKLATM材料先进技术教育部重点实验室15作业1请计算KLATM材料先进技术教育部重点实验室48Formationofinterstitalatom间隙原子形成的结果破坏点阵的周期排列晶体产生膨胀：1个间隙原子增加大于1个原子体积的膨胀晶格畸变大于空位KLATM材料先进技术教育部重点实验室16FormatKLATM材料先进技术教育部重点实验室49产生点缺陷的途经热振动点缺陷浓度与温度T有关（热平衡缺陷）温度T越高，浓度C越高淬火：形成大量淬火空位冷加工塑性变形位错位错相互作用点缺陷辐照高能粒子轰击KLATM材料先进技术教育部重点实验室17产生点缺陷的KLATM材料先进技术教育部重点实验室50

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KLATM材料先进技术教育部重点实验室51ThermodynamicsEquilibriumofPointDefect点缺陷点阵畸变内能增加热力学稳定性下降点缺陷原子排列混乱熵增加热力学稳定性增加T一定，点缺陷存在一个平衡浓度其它缺陷不存在此特性！！！KLATM材料先进技术教育部重点实验室19ThermoKLATM材料先进技术教育部重点实验室52Equilibriumconcentrationofvacancy假设：N个原子的晶体，形成n个肖脱基空位因为：

一个原子移至晶体表面所做的功＝空位形成能Ev由热力学第一定律：

DU＝n·Ev

（Q＝0）因为：空位的产生使晶体的熵值增加：组态熵S0

此外，空位形成后将改变邻近原子的热振动频率，使熵增加：空位形成熵Sv

S＝S0+n·SvKLATM材料先进技术教育部重点实验室20EquiliKLATM材料先进技术教育部重点实验室53根据dT=0时，

F=U-T·SF=n·Ev-T·(S0+nSv) =n·Ev-T·S0-n·T·Sv(1)根据统计热力学的波尔兹曼公式

S=k·lnw其中w=(N!)/(N-n)!·n!或

w=(N+n)!/N!·n!S0=kln[(N!)/(N-n)!·n!]=kln[(N+n)!/N!·n!]KLATM材料先进技术教育部重点实验室21根据dTKLATM材料先进技术教育部重点实验室54关于w：微观状态数目n个空位在N个原子位置的可能排列，按排列组合有：n个空位在(N+n)个原子位置的可能排列KLATM材料先进技术教育部重点实验室22关于w：微观KLATM材料先进技术教育部重点实验室55利用stirling公式：lnx!=xlnx-xS0=k[(N+n)ln(N+n)-NlnN-nlnn]代入（1）式

在平衡条件下，自由能为极小，即：KLATM材料先进技术教育部重点实验室23利用stirKLATM材料先进技术教育部重点实验室56因为N