第四章晶体的缺陷

缺陷是晶体局部原子排列的破坏 按其几何形状分为四类 1晶体缺陷的基本类型 缺陷的分类 点缺陷 在三维方向上尺寸都很小 远小于晶体或晶粒的线度 又称零维缺陷 典型代表有空位 间隙原子 杂质原子等等 线缺陷 在两个方向尺寸很小 一个方向尺寸较大 可以和晶体或晶粒线度相比拟 又称为一维缺陷 位错是典型的线缺陷 是一种非常重要的缺陷 是本章重点讨论对象 面缺陷 在一个方向尺寸很小 另两个方向尺寸较大 又称二维缺陷 如晶粒间界 晶体表面 层错等 体缺陷 如果在三维方向上尺度都较大 那么这种缺陷就叫体缺陷 又称三维缺陷 如沉淀相 空洞等 点缺陷的类型 热缺陷 在没有外来原子时 当晶体的温度高于绝对0K时 由于晶格内原子热振动 使一部分能量较大的原子离开正常的平衡位置 造成缺陷 杂质缺陷 由于杂质进入晶体而产生的缺陷 杂质原子又叫掺杂原子 它不仅破坏了原子有规则的排列 而且还引起了杂质原子周围的周期势场的改变 从而形成缺陷 非化学计量结构缺陷 一些易变价的化合物 在外界条件的影响下 造成组成上的非化学计量化 从而造成的空位 间隙原子以及电荷转移引起了晶体内势场的畸变 使晶体的完整性遭到破坏 点缺陷 产生原因 弗仑克尔缺陷 金属和离子晶体中都会由于热运动的能量涨落 使原子或离子脱离格点进入晶体中的间隙位置 从而同时出现空位和填隙原子 离子 对 肖特基缺陷 热缺陷 弗伦克尔缺陷 点缺陷 肖特基缺陷 晶体中原子由于热涨落获得足够能量 离开格点位置 迁移至晶体表面 于是在晶体中出现空位 形成填隙原子时 原子挤入间隙位置所需要的能量比产生肖特基空位所需能量大 温度不太高时 肖特基缺陷要比弗仑克尔缺陷的数目大得多 自填隙原子 纯净晶体的表面原子离开表面进入晶格间隙位置 称为自填隙原子 此时只有填隙原子 没有空位 杂质缺陷 替位杂质 落在晶体的正常格点位置的杂质原子 填隙杂质 落在晶体格点之间间隙位置的杂质原子 替位杂质缺陷 填隙杂质缺陷 点缺陷 F心 将碱卤晶体放在碱金属的蒸气中加热 然后骤冷到室温 原来透明的晶体就出现了颜色 氯化钠变成淡黄色 氯化钾变成紫色 氟化锂变成粉红色等等 这些晶体的吸收光谱在可见光区有一个钟形的吸收带 称为F带 产生这个吸收带的吸收中心称为F心 负离子空位束缚一个电子的组合 色心 能吸收光的点缺陷 使晶体呈现一定颜色 其他 N心 M心等 点缺陷 V心 点缺陷的运动 间隙原子在运动时 有可能落入空位中 而使两者消失 晶体中的点缺陷在一定的温度下有一定的平衡浓度 处于动态平衡状态下 但这些点缺陷并非固定不动 而是处于不断的运动过程中 例如 空位周围的原子 由于热振动能量的起伏 有可能获得足够的能量而跳入空位 并占据这个平衡位置 这时在这个原子的原来位置上 就形成一个空位 这个过程就是空位的迁移 同样间隙原子也可能由一个间隙位置迁移到另一个间隙位置 点缺陷 线缺陷的特点是在一维方向的尺寸较长 另外二维方向上尺寸很小 从宏观看缺陷是线状的 从微观角度看 是管状的 位错是晶体中普遍存在的线缺陷 位错 位错对晶体的生长 扩散 相变 塑性变形 断裂等许多物理 化学性质及力学性质都有很大影响 因此位错理论是材料科学基础中一个重要内容 刃型位错 位错线垂直于滑移的方向 刃型位错的构成就象是用刀劈柴那样 把晶面挤到一组平行晶面之间 这个半截晶面的下端宛如刀刃 位错 位错线 晶体中已滑移区和未滑移区之间的分界线 螺位错 位错线平行于滑移的方向 当晶体中存在螺旋位错时 原来的一族平行晶面就变成为象是单个晶面所组成的螺旋阶梯 位错 理想晶体原子面堆积 含有刃型位错晶体原子面堆积 含有螺型位错晶体原子面堆积 位错 面缺陷 在一个方向尺寸很小 另两个方向尺寸较大 又称二维缺陷 如晶粒间界 晶体表面 层错等 多晶体结构示意图 多晶体 由多个小晶体 晶粒 组成的晶体结构 每个晶粒内部 晶格位向是均匀一致的 而各个晶粒之间 彼此的位向却不相同 晶界 晶粒与晶粒之间的分界面叫 晶粒间界 或简称 晶界 为了适应两晶粒间不同晶格位向的过渡 在晶界处的原子排列总是不规则的 晶界原子排列示意图 亚晶界位错结构示意图 晶界 不同位向晶粒与晶粒之间的界面 过渡区 叫 晶粒间界 简称晶界 亚晶界 小角晶界 每个晶粒内的晶格位向在不同区域上有微小差别的界面 过渡区 由一系列刃型位错组成 面缺陷 堆垛层错 金属晶体常采取立方密积结构形式 原子球以三层为一循环的密堆积结构 原子面的排列形式是 ABCABCABCABC 若某一晶面 比如A 在晶体生长时丢失 原子面的排列形式成为 ABCABCBCABCABC B晶面便是错位的面缺陷 这一类整个晶面发生错位的缺陷称为堆垛层错 面缺陷 缺陷对金属晶体性质的影响 缺陷存在的比例只是一个很小的量 通常情况 例如20 时 Cu的空位浓度为3 8 10 17 晶体缺陷引起晶格局部弹性变形称晶格畸变 点缺陷引起的三种晶格畸变 杂质粒子缺陷 空位缺陷 间隙粒子缺陷 点缺陷对晶体性质的影响 晶格畸变引起晶体结构的变化 对晶体性质如机械强度 导电性 耐腐蚀性和化学反应性能都有较大影响 引入杂质可改变半导体的能带结构 所以杂质对半导体材料电学性能的影响十分显著 掺杂对电学性质的影响 掺杂对力学性质的影响 合金 离子晶体中点缺陷的特点是带有一定的电荷 在没有外电场时 这些作无规布朗运动的缺陷不产生宏观电流 但是当外电场存在时 由于库仑力的影响 带电缺陷产生一定的沿外电场方向的定向运动 从而引起宏观电流 无外电场时的势能曲线 有外电场时的势能曲线 离子晶体的导电性 离子晶体的导电性强烈依赖于温度 位错对力学性能的影响 范性形变 金属受到的应力超过弹性限度时会发生永久形变 范性形变的发生是由于晶体某族晶面发生了滑移临界切应力 对于一定的晶体材料 存在产生范性形变的最小的切应力tc金属晶体 实际值105 106N m2 理论值109N m2 认为金属晶体是理想的 在滑移过程中 晶面整个地发