晶体缺陷对材料性能的影响现状研究.docx

晶体缺陷对材料性能的影响现状研究摘要:在理想完整的晶体中，原子按照一定的次序严格的处在空间有规则的、周期性的格点上。但在实际晶体中，由于各种各样的原因，原子排布不可能那样完整和规则。这些与完整周期性点阵结构的偏离就是晶体中的缺陷，它破坏了晶体的对称性。同时缺陷的存在会对晶体产生或多或少的影响，本文着重研究了各类缺陷对材料性能的影响，收集了大量知名学者的研究成果，为之后的系统研究晶体缺陷奠定了基础。关键词： 晶体缺陷； 空位； 材料性能Effect of crystal defects on material researchAbstract: In an ideal complete Crystal atoms according to a certain order of strict rules in space, periodic lattice. But in the actual Crystal, due to various reasons, Atomic configurations cannot be so complete and rules. These complete deviation of the periodic lattice structure is the defects in the Crystal, it destroys the symmetry of the Crystal. Also will have more or less effect on crystal defects exist, this paper focuses on the influence of defects on the properties of materials, collected a large number of well-known scholars research results, laid the groundwork for systematic study of lattice defects.Key words: crystal defects; vacancy; material properties 晶体结构中质点排列的某种不规则性或不完善性。又称晶格缺陷。表现为晶体结构中局部范围内，质点的排布偏离周期性重复的空间格子规律而出现错乱的现象。根据错乱排列的展布范围,分为下列3种主要类型。(1)点缺陷，只涉及到大约一个原子大小范围的晶格缺陷。它包括:晶格位置上缺失正常应有的质点而造成的空位;由于额外的质点充填晶格空隙而产生的填隙；由杂质成分的质点替代了晶格中固有成分质点的位置而引起的替位等(2)线缺陷位错 位错的概念1934年由泰勒提出到1950年才被实验所实具有位错的晶体结构，可看成是局部晶格沿一定的原子面发生晶格的滑移的产物。滑移不贯穿整个晶格，晶体缺陷到晶格内部即终止，在已滑移部分和未滑移部分晶格的分界处造成质点的错乱排列，即位错。这个分界外，即已滑移区和未滑移区的交线，称为位错线。(3)面缺陷，是沿着晶格内或晶粒间的某个面两侧大约几个原子间距范围内出现的晶格缺陷。主要包括堆垛层错以及晶体内和晶体间的各种界面，如小角晶界、畴界壁、双晶界面及晶粒间界等。晶体缺陷的产生原因有很多种，主要为在晶体生长过程中，由于温度、压力、介质组分浓度等变化而引起的；有的则是在晶体形成后，由于质点的热运动或受应力作用而产生。它们可以在晶格内迁移，以至消失；同时又可有新的缺陷产生。晶体缺陷的存在对晶体的性质会产生明显的影响。实际晶体或多或少都有缺陷。适量的某些点缺陷的存在可以大大增强半导体材料的导电性和发光材料的发光性，起到有益的作用；而位错等缺陷的存在，会使材料易于断裂，比近于没有晶格缺陷的晶体的抗拉强度，降低至几十分之一。因为晶体缺陷对材料性能有很大的影响，故而国内外对晶体缺陷的研究十分普遍，本文将对国内外知名学者的研究结果进行汇总，为以后细致研究晶体缺陷奠定基础。1 晶体缺陷对材料性能的影响研究汇总李威等1-6研究了掺杂吸附和空位缺陷对碳纳米管导热的影响,结果表明:与完整无缺陷碳纳米管相比,掺杂吸附和空位均会导致碳管 热导率显著下降,以及碳管轴向温度分布在缺陷处产生非线性的间断性跳跃;缺陷类型对碳管热导率的影响最大,管径次之,管长影响相对最小;而空位掺杂和吸附对碳管热导率的影响力依次是减小的于立军等7-10对空位缺陷对CrSi2光电性能的影响进行了研究结论为：Cr和Si空位均使CrSi2 的晶格常数和体积变小;能带结构密集而平缓,且整体向上移动;Si空位缺陷形成带隙宽度为0.35eV的p型间接带隙半导体,C空位缺陷在原禁带间出现两条新的能带;含空位缺陷 CrSi2的电子态密度仍主要由Cr3d层电子贡献,Si空位缺陷对电子态密度的影响较小,Cr空位缺陷提高了Fermi面处的电子态密度;与CrSi2相比,含空位缺陷CrSi2的介电峰均向低能方向略有偏移且峰值降低,吸收系数明显变小姜跃进等11研究空位缺陷对PBG型THz光子晶体光纤（PBG-TPCF）的带隙和泄漏损耗两种特性的影响。计算表明空位缺陷都使PBG-TPCF的带隙宽度减少并使中心频率不同程度地上移；最低损耗点由于带隙的移动作相应的改变，并且泄露损耗变大。通过分析空位缺陷对带隙和泄露损耗的影响，得出在包层比较多的情况下，空位缺陷离PBG-TPCF纤芯越远对PBG-TPCF的影响越小。仿真结果表明空位缺陷在PBG-TPCF包层的第5层时及外围层时对PBG-TPCF的影响将很小以至于可以忽略。雷天民等12基于密度泛函理论框架下的第一性原理，采用平面波赝势方法分别计算了单层MoS2中Mo空位和S空位的形成能、空位附近的晶格畸MoS2层中的电子分布以及态密度(DOS)和能带结构。计算结果显示，2种空位缺陷都具有点缺陷特征，其附近的电子分布呈现出明显的局域化特点，且S空位比 Mo 空位更容易形成。通过与本征态MoS2电子结构的对比分析，发现2种空位缺陷的存在对单层MoS2的电子结构、尤其是对导带高能量区域的能态密度会产生十分明显的影响，这些影响可能与空位缺陷引入的缺陷能级有关。韩同伟等13采用Tersoff势对完美的和含空位缺陷的单层石墨烯薄膜的单向拉伸力学性能进行了分子动力学模拟，分别研究了单个单原子空位缺陷和单个双原子空位缺陷对扶手椅型和锯齿型石墨烯拉伸力学性能及变形机制的影响。研究结果表明，单原子空位缺陷和双原子空位缺陷对扶手椅型和锯齿型石墨烯薄膜的杨氏模量没有影响，但在一定程度上降低了拉伸强度和拉伸极限应变，单原子空位缺陷和双原子空位缺陷使拉伸强度降低幅度最高达8.10%和6.41%，并大幅度降低极限应变。缺陷对石墨烯的拉伸变形破坏机制也有一定的影响。在外载作用下, 新的缺陷的萌生位置均出现在空位缺陷附近。孙雷等14-15通过第一原理性赝势法，我们研究了高自旋极化材料Fe3F4中A空位，B1空位以及B2空位对其磁电性能的影响。结果表明，产生A空位缺陷难B空位缺陷 ,该结论基本与实验一致。B空位Fe3F4分子磁矩大于A空位Fe3F4，因此 B空位Fe3F4比A空位Fe3F4可能具有更大的室温磁电阻效应，从而具有更大的应有价值。蓝丽红等16-17应用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理，采用广义梯度近似(GGA)和平面波超软赝势方法，研究空位缺陷对氧分子在方铅矿(100)表面吸附行为的影响，并比较和分析它们及理想表面的Mulliken电荷布居、电子密度差图和态密度等。结果表明：铅空位比硫空位难形成，两种空位缺陷表面对氧分子有强烈的化学吸附作用，其吸附能均高于理想表面的，说明空位缺陷可以促进氧分子在方铅矿表面的吸附。氧分子在理想表面及铅空位表面发生了解离吸附，氧原子与硫原子形成了共价键；氧分子在硫空位表面没有发生解离吸附，氧原子与表面的铅原子表现出较强的离子相互作用力。李玉琼等18采用第一性原理平面波赝势计算了含有空位缺陷的黄铁矿的电子结构，同时讨论了空位缺陷对黄铁矿浮选行为的影响。研究结果表明: 硫空位对晶胞体积影响不大，铁空位使黄铁矿晶胞膨胀了1.29%；空位缺陷主要影响黄铁矿费米能级附近的电子能带结构，并在禁带中出现了新能级；空位的存在使黄铁矿的费米能级升高，不利于黄铁矿的浮选。另外，有效质量计算表明，空位的存在增强了黄铁矿导带底电子的定域性：Mulliken 键布居分析表明，理想黄铁矿的SFe键的共价性大于SS键的，空位导致周围原子的键之间的共价性增强, 有利于黄铁矿浮选。 董建敏等19-20用自旋极化的MS-X方法计算了稀土-过渡族化合物Nd2Fe17Nx(x=0.3)中含哑铃Fe原子对的Fe8及含Nd和N原子的NdFe6和NdFe6N3原子簇的电子结构和磁矩。计算结果显示,在化合物 Nd2Fe17中,Fe(c)和Fe(f)晶位间的分子轨道中,有3个奇宇称轨道呈现负交换耦合。通过比较-Fe的MS-X计算结果,能够很好地说明RE2Fe17化合物居里温度较低的原因。在化合物 Nd2Fe17N3中,Fe(c)-Fe(f)晶位间分子轨道只剩下一个奇宇称轨道呈现弱的负交换耦合,通过比较N2Fe17和 Nd2Fe17N3化合物Fe8原子簇的计算结果,能够很好地说明间隙原对化合物 RE2Fe17Mx(M表示N, H或C)的居里温度产生影响的物理机制。对RE2Fe17型化合物中影响Fe-Fe交换耦合的主要因素,本文也做了讨论。吴菊环等21-22通过采用低倍观察、金相、电子探针、扫描电镜、硬度检验等检测手段进行分析，认识了热轧板中心线缺陷的宏观、微观特征，分析了该缺陷的形成原因；讨论了该缺陷对有关力学性能的影响。并提出了有效的改进措施。焦扬23-24采用有限元法建立了含缺陷的 KDP 晶体线锯切割数值计算模型，仿真分析了锯切过程中缺陷附近的应力分布状态，研究了缺陷尺寸及分布位置对应力分布的影响。结果表明，晶体缺陷引起局部应力集中，锯切过程中应力集中系数保持稳定，但当锯口通过缺陷时，应力集中系数激增。锯口处也存在应力集中，当锯口靠近缺陷时，两种应力集中的耦合效应增强，缺陷处最大拉应力增大；锯切至缺陷处时，耦合效应最强，最大拉应力增大到最大值。缺陷距离切除层越近，锯切过程中缺陷处最大拉应力的变化越剧烈；锯切末段切除层中的缺陷处具有更大的最大拉应力。徐岳生等25通过化学腐蚀、金相显微观察、透射电子显微镜、扫描电镜和X射线异常透射形貌等技术，研究了半绝缘砷化镓单晶中的位错和微缺陷，实验发现用常规液封直拉法制备出的直径大于或等于75mm的半绝缘砷化镓单晶在晶体周边区域，一般都有由高密度位错的运动和反应而形成的蜂窝状网络结构，并且位错和微缺陷之间，有着强烈的相互作用，位错吸附微缺陷，微缺陷缀饰位错。赵年顺等26采用基于时域有限差分技术的数值模拟计算和时间耦合模理论， 研究了引入Kerr非线性的光子晶体缺陷对的非对称透射特性，侧重于找到提高缺陷对的最大透射率及透射对比度的方法。结果表明，这种由2个不同尺寸但具有相同谐振频率的缺陷对组成的结构具有单向透射特性，理论分析也验证了数值模拟结果，并且适当错开两缺陷共振频率的位置，可以使缺陷对结构的最大透射率及透射对比度都有很大的提高。崔怀洋等27-29对Fe-30%Ni合金和超低碳贝氏体钢在高温进行不同方式变形和保温，通过变形、回复、与再结晶，获得不同的晶体缺陷数量与构型(主要是位错分布形态)。用硼径迹显微照相技术研究了空冷过程中硼向晶界的非平衡偏聚及与不同形态晶体缺陷的关系。结果表明，在再结晶新晶粒冷却时晶界偏聚 明显，晶界附近会出现较显著的贫硼现象，而变形并回复后的原始晶粒中此现象不明显，高温回复阶段形成的多边形化亚晶界(位错墙)对冷却时硼向晶界非平衡偏聚过程有明显影响，而刚变形时形成的高密度离散分布的位错对冷却时翻非平衡偏聚过程作用不明显，硼原子偏聚过程与位错的相互作用对位错分布的形态敏感。张克从30就下列问题做概括而示性阐述:晶体对称性与其宏观物理性能间的联系，晶体中的电子与离子输运；晶体结构与其电学、光学、磁学和力学等性能的关系；晶体的结构缺陷与其结构敏感性能以及探索新晶体材杆的有效途径等问题。于进喜等31-36就黄铁矿晶体结构中因存在缺陷，会导致其表面氧化反应机理与 过程发生改变，影响表面性质，从而改变它的浮选行为。从微观晶体结构角度出发，通过研究结构中缺陷的存在与扩散规律，探讨了它对黄铁矿表面氧化的影响机理。同时，通过XPS测试技术研究了氧化表面元素的存在形式，分析了其对表面性质的影响。结果表明：O2分子不直接参与化学反应，而是由HO2与OH自由基捕获电子发生化学吸附的；氧化膜内缺陷与带电粒子在化学位和电化学位梯度的双重作用下发生定向迁移，促使氧化反应持续进行，导致黄铁矿表面亲水性增强。X光电子能谱(XPS)分析结果，证实了推断的氧化机理的正确性。刘其城37-38的研究表示石黑晶体中存在着各种类型的缺陷，在非真空条件下，石墨晶体将自发地吸收和镶嵌各种气体分子和原子，这一现象在其晶体表面尤为突出，特别是能使被吸附物在石墨表面形成一层以化学吸附为主的薄膜，从而大大降低石墨的摩擦系数。王弘等39-41研究AIPO4晶休中缺陷对压电振子电性能的影响。结果表明，晶片中存在包裸体，特别是气液包裸体和电双晶，则压电振子的动态电阵R：变大，机械品质因子Qm降低。而这些缺陷村振子倾率常数没有影响。张映斌等42-44研究表示多晶硅太阳能电池组件以它显著的综合成本优势被广泛应用。铸锭多晶硅的晶体缺陷特征与其电池转换效率有着强烈的关联性。晶体的底部和顶部缺陷密度高，对应的电池转换效率低(14.515.5%)；晶体中部因为较低的缺陷密度，对应着较高的电池转换效率(16.517.5%)。同种类的晶体缺陷对电池效率的影响又不尽相同，比如位错等顽固性缺陷会保留至终，而间隙态金属杂质等可去除的缺陷则会在电池制备过程中得以消除。陈建华45-46利用基于密度泛函理论的第一性原理赝势方法，计算含有硫空位和铅空位的方铅矿的电子结构，并讨论空位缺陷对方铅矿可浮性的影响。计算结果表明，铅空位缺陷使方铅矿费米能级降低,带隙变窄；而硫空位缺陷则使方铅矿费米能级升高，带隙变宽，同时，方铅矿的半导体类型由p型变为n型。空位缺陷引起的电荷布居数变化改变晶体中电子运动的状态，从而影响方铅矿的浮选行为。崔风平47-48对断面中心有裂纹缺陷的铸坯进行了探测和解剖分析，并对轧制后钢板进行探伤，依照探伤图谱，选择分层缺陷明显的部位，用扫描电镜等对其金相组织、缺陷形态和微区成分进行分析，得出分层部位的缺陷组织主要为沿轧向分布的铁素体带，在其内部沿轧向分布有条状或片状硫化物，是中厚板分层产生的主要原因。通过分析得出轧制时铸坯内部焊合及修复的边界条件：硫化物尺寸控制在5m以下，硫含量降低到0.02%以下。参考文献：1 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