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浅谈固体物理中的晶体缺陷20074051024 刘珊珊实际晶体或多或少存在各种杂质和缺陷。依照传统的分类有：点缺陷、线缺陷（见位错）和面缺陷。它们对固体的物性以及功能材料的技术性能都起重要的作用。半导体的电学、发光学等性质依赖于其中的杂质和缺陷。大规模集成电路的工艺中控制(和利用)杂质和缺陷是极为重要的。目前人们感兴趣的有深能级杂质、发光中心机理、无辐射跃迁的微观过程等。H.A.贝特在1929年用群论方法分析晶体中杂质离子的电子能级的分裂，开辟了晶体场的新领域。数十年来在这领域积累了大量的研究成果，为顺磁共振技术、微波激射放大器、固体激光器的出现准备了基础。金属中的杂质对其物理性质有广泛的影响。最为突出的是磁性杂质对金属低温下物性的影响，这个现象称为近藤效应，因为近藤淳在1946年首先提出说明这现象的理论。磁杂质对超导体的性质有显著影响，会降低其临界温度。在特殊物质（例如,LaAl2、CoAl2）中,近藤杂质可使这合金在温度T吤进入超导电状态又于T扖离开这个状态。此外,离子晶体中的缺陷对色心现象和电导过程占有决定性的地位。 .夫伦克耳对金属强度的理论值作了估计，远大于实际的强度，这促使人们去设想金属中存在某种容易滑移的线缺陷。1934年G.I.泰勒、E.奥罗万和M.波拉尼独立地提出刃位错理论说明金属强度。F.C.夫兰克在1944年根据实验观察结果提出螺位错促进晶体生长的理论，后来，人们利用电子显微术直接看到位错的运动。位错以及它同杂质和缺陷的互作用对晶体的力学、电学性质有重大影响。甚至，晶体熔化也可能同位错的大量产生有关。随着晶体生长技术发展，人们又发现了层错一种面缺陷。 硬铁磁体、硬超导体、高强度金属等材料的功能虽然很不同,但其技术性能之所以强或硬,却都依赖于材料中一种缺陷的运动。在硬铁磁体中这缺陷是磁畴壁（面缺陷），在超导体中它是量子磁通线，在高强度金属中它是位错线，采取适当工艺使这些缺陷在材料的微结构上被钉住不动，有益于提高其技术性能。 高分辨电子显微术正促使人们在更深的层次上来研究杂质、缺陷和它们的复合物。电子顺磁共振、穆斯堡尔效应、正电子湮没技术等已成为研究杂质和缺陷的有力手段。在理论上借助于拓扑学和非线性方程的解，正为缺陷的研究开辟新的方向（见晶体缺陷）。 固体物理学 表面和界面以及超点阵和低维固体 这是近二十年来固体物理学中新兴的领域。从60年代起人们开始在超高真空条件下研究晶体表面的本征特性以及吸附过程等。通过粒子束（光束、电子束、离子束或原子束）和外场（温度、电场或磁场）与表面的相互作用，获得有关表面的原子结构、吸附物特征、表面电子态以及表面元激发等信息，加上表面的理论研究，形成表面物理学。这些新的实验手段主要是各种表面能谱仪。它们及其分析方法已经发展成为表面技术，广泛用于大规模集成电路监控和分析等领域。同体内相比，晶体表面具有独特的结构和物理、化学性质。这是由于表面原子所处的环境同体内原子不一样，在表面几个原子层的范围，表面的组分和原子排列形成的二维结构都同体内与之平行的晶面不一样的缘故。表面微观粒子所处的势场同体内不一样，因而形成独具特征的表面粒子的运动状态，限制粒子只能在表面层内运动并具有相应的本征能量，它们的行为对表面的物理、化学性质起重要作用。 界面有固体固体、固体-液体、固体-气体界面之分。固体器件的基础是在界面发生的物理过程，随着微电子技术发展，器件的尺寸日益缩小，表面和界面的物理效应更加突出。特别是硅场效应管的硅二氧化硅界面形成表面势阱，在其中的电子构成二维运动的电子气，具有独特的性质，包括电子态局域化和 K.von克利青在1980年发现的量子霍耳效应以及D.C.崔琦在1981年发现的分数量子霍耳效应，涉及固体物理基本问题的现象。许多电化学过程发生在固体-电解液界面,腐蚀则常发生于固体-气体和固体-液体界面，因此界面物理和表面物理一样具有巨大的实际意义。 能带理论用于表面和界面的电子态的计算仍然有效。由于表面、界面电子的势能依赖于表面态、界面态中电子的填充情况，因此计算必须是自洽的。能带理论同表面技术的结合导致半导体超点阵材料出现。分子束外延技术使制备这种材料成为现实。再利用调制掺杂技术,可制备出高迁移率晶体管用于微波技术，以及性能优越的激光器用于光电子学技术。用这种材料特制的样品，在低温和强磁场下也观察到分数的量子霍耳效应。金属超点阵的研究也正在增长（见超结构）。 低维固体还包括层状化合物和链状结构的物质以及微颗粒组成的固体。它们具有独特的物理性质和微观过程。是目前很活跃的研究领域，在应用上富有潜力。层状结构化合物的主要特点是它的能带结构和电导率都是各向异性的，平行于层面的电导率与垂直层面的电导率之比可达千倍至十万倍。有的材料电导率可与铜、铝相比，在层状材料中由于费密面的结构以及与之有关的不稳定性质存在着电荷密度波或自旋密度波。链状材料具有准一维的结构，有的是导体，有的是半导体，也有的在一定压力下成为超导体。特别是聚乙炔等一维有机半导体。它具有两种不同的基本结构，两种结构交接处是一个界区,形成类似孤立子缺陷态,掺杂可使“孤立子”带电。它在链上运动引起电导。利用聚乙炔已可制成半导体器件，展示其应用前景（见低维导体）。 编辑本段非晶态固体非晶态固体的物理性质同晶体有很大差别，这同它们的原子结构、电子态以及各种微观过程有密切联系。从结构上来分，非晶态固体有两类（见无序体系）。一类是成分无序，在具有周期性的点阵位置上随机分布着不同的原子（如二元无序合金）或者不同的磁矩（如无序磁性晶体）。在这类体系中物理量不再有平移对称性。另一类是结构无序，表征长程序的周期性完全破坏，点阵失去意义。但近邻原子有一定的配位关系,类似于晶体的情形,因而仍然有确定的短程序。例如，金属玻璃是无规密积结构，而非晶硅是四面体键组成的无规网络。实际情形或许更加复杂，可能存在一些微晶结构的原子簇。例如，非晶硅中存在非晶基元。20年代发现并在70年代得到发展的扩展X 射线吸收精细结构谱 (EXAFS)技术成为研究非晶态固体原子结构的重要手段。 无序体系的电子态具有其独特的性质，P.W.安德森(1958)在他的富有开创性的工作中，探讨了无序体系中电子态局域化的条件，10年之后，N.F.莫脱在此基础上建立了非晶态半导体的能带模型，提出迁移率边的概念。以非晶硅或锗为例，它的禁带宽度依赖于原子间的互作用，能带宽度依赖于原子的价键之间的耦合。在无序体系中，电子态有局域态和扩展态之分。在局域态中的电子只有在声子的合作下才能参加导电。这使得非晶态半导体的输运性质具有新颖的特点。1974年人们掌握了在非晶硅中掺杂的技术，现在非晶硅正成为制备廉价的高效率太阳能电池的重要材料。 非晶态合金具有特殊的物理性质。例如，它们的电阻率较大而其温度系数小。有的材料有很大的拉伸强度，有的具有优异的抗腐蚀性，可与不锈钢相比。非晶态磁性合金具有随机变化的交换作用，可导致居里温度的改变（大多数材料居里温度变低）,同时在无序