第三章 晶体缺陷 (六).ppt

1、第 三 章 晶 体 缺 陷 （六） 实际晶体结构中的位错,烟台大学 秦连杰 E-mail：,3.2.6 实际晶体结构中的错位,1、实际晶体中位错的伯氏矢量 实际晶体中位错的伯氏矢量不是任意的，必须符合晶体的结构条件和能量条件 结构条件：伯氏矢量大小与方向，必须连接一个原子平衡位置到另一个原子平衡位置 能量条件：位错能量Eb2 , 伯氏矢量越小越稳定 基本概念： 单位位错 ( dislocation)，全位错(perfect dislocation)，不全位错(部分位错 partial dislocation),已知为使位错自身能量最低，大多数晶体中的全位错的柏氏矢量是最短的平移矢量，如，简单立

2、方为a，面心立方为a/2，体心立方的a/2，密排六方的a/3。,问题：位错都以密排方向的平移矢量存在吗？,若柏氏矢量不是晶体的平移矢量，当这种位错扫过后，位错扫过的面两侧必出现错误的堆垛，称堆垛层错。若这些错排不导致增加很多能量，则这种位错是可能存在的，称部分位错(不全位错)。,伴随的新现象： 部分位错必伴随有层错，即部分位错线是层错的边界线。,典型晶体结构中单位位错的伯氏矢量,单位位错 ( dislocation):柏氏矢量等于单位点阵矢量的位错,全位错Perfect dislocation ：把伯氏矢量等于点阵矢量（整数倍）的位错,把伯氏矢量不等于点阵矢量整数倍的位错称为“不全位错”，或称

3、为“部分位错”,2.堆垛层错 正常堆垛顺序 fcc：ABCABC hcp：ABABAB 堆垛层错（stacking fault）：实际晶体结构中上述密排面的正常堆垛顺序遭到破坏或错排，有两类： （1）抽出型层错 （2）插入型层错 堆垛层错能： 为产生单位面积层错所需的能量。,面心立方晶体：ABCABCABC ,密排六方结构：,面心立方晶体： ,第第一层为A，第二层放在B位置，第三层放在C 位置，第四层在放回A位置。111面 ABCABC 顺序排列，这就形成面心立方结构。,抽出型层错,A B C B C A , ,插入型层错,A B C B A B C A , ,密排六方结构：,抽出型层错,B

4、A B A C B A C , ,插入型层错,B A B A C B C B , ,堆垛层错能 (J/m2)： 形成层错时几乎不产生点阵畸变，但他破坏了晶体的完整性和正常的周期性，使电子发生了反常的衍射效应，使晶体能量增加,堆垛层错能一般来说比较低。实际上，层错终止在晶体内部所形成的边界就是不全位错。在面心立方晶体中有两种类型的不全位错。fcc中的全位错滑移时原子是如何运动见图所示 。 图中所示是面心立方晶体（111）面上单位位错 在切应力作用下沿着(111)、 在A层原子面上滑动的情况。可以看出：B层原子直接沿 方向从B1位置滑到相邻的B2位置时会和相邻的A层原子发生显著的碰撞，使晶体发生较

5、大的局部畸变，能量显著增加。因此，从能量角度上考虑，B层原子的有利滑动路径应该是分两步：第一步通过 滑移到C位置，第二步再通过 的滑移从C位置滑移到相邻的B2位置，由于每步滑移过程中B原子都是从两个A原子之间通过，因而引起A原子的位移（或晶体局部畸变）最小，能量的增加也最小。,3. 不全位错：伯氏矢量小于点阵矢量的位错,3. 不全位错：伯氏矢量小于点阵矢量的位错 (1) Shockley不全位错 (Shockiey partial dislocation): 伯氏矢量：,如果上面B层原子有一部分只滑移了第一步，即滑动了 而另一部分则不滑动。这样在滑移了一次的区域和未滑移区域的边界M处就形成了一

6、个柏氏矢量小于滑移方向上原子间距的分位错，称其为肖克莱不全位错（或分位错）。 根据其柏氏矢量与位错线的角度关系可以是纯刃型，纯螺型或混合型的。肖克利不全位错的形成：原子运动导致局部错排,肖克利不全位错特点： （1）位于孪生面上，柏氏矢量沿孪生方向，且小于孪生方向上的原子间距： （2）根据其伯氏矢量与位错线的夹角关系，它既可以是纯刃型，也可以是纯螺型或混合型。 （3）不仅是已滑移区和未滑移区的边界，而且是有层错区和无层错区的边界 （4）只有通过局部滑移形成。即使是刃型肖克利不全位错也不能通过插入半原子面得到，因为插入半原子面不可能导致大片层错区。 (5) 即使是刃型肖克莱不全位错也只能滑移，不能

7、攀移，因为滑移面上部（或下部）原子的扩散不会导致层错消失，因而有层错区和无层错区之间总是存在着边界线，即肖克利不全位错线。 (6) 即使是螺型肖克利不全位错也不能交滑移，因为螺型肖克利不全位错是沿112方向，而不是沿两个111面（主滑移面和交滑移面）的交线110方向，故它不可能从一个滑移面转到另一个滑移面上交滑移。,(2)Frank不全位错(Frank partial dislocation): 负Frank不全位错抽出型 正Frank不全位错插入型 b = a/3，纯刃型，伯氏矢量垂直于层错面,弗兰克不全位错的形成：在完整晶体中局部抽出或插入一层原子所形成。（只能攀移，不能滑移。）,抽去一层

8、密排面形成的弗兰克不全位错,4. 位错反应(dislocation reaction) ： 位错间的相互转化(合成或分解)过程。 位错反应满足条件： (1)几何条件 伯氏矢量守恒性 即： bb = ba (2)能量条件 反应过程能量降低 即：bb ba ,5. fcc晶体中的位错 (1) Thompson四面体Thompsons tetrahedron 利用Thompson四面体可确定fcc结构中的位错反应。,1、四面体的4个面即为4个可能的滑移面：,2、四面体的6个棱边代表12个晶向，即为面心立方晶体中全位错12个可能的伯氏矢量。,3、每个面的顶点与其中心的连线代表24个1/6112型的滑移

9、矢量，它们相当于面心立方晶体中可能的24个肖克莱不全位错的伯氏矢量。,4、 4个顶点到它所对的三角形中点的连线代表8个1/3111型的滑移矢量，它们相当于面心立方晶体中可能有的8个弗兰克不全位错的伯氏矢量。,5、4个面中心相连即，为1/6110是压杆位错,Thompson四面体及记号,(2)扩展位错(extended/split dislocation)：,面心立方晶体中(111)面上全位错a/2110的分解,扩展位错：一对不全位错及中间夹的层错Extended dislocation,a：扩展位错的宽度,从前面已知，两个平行不全位错之间的斥力为,当层错的表面张力与不全位错的斥力达到平衡时，两

10、不全位错的间距r即为扩展位错的宽度d，,r为两不全位错的间距,面心立方晶体中的扩展位错,b：扩展位错的束集：外力作用下收缩为原来全位错的过程。,面心立方晶体中的扩展位错,扩展位错在障碍处束集,c：扩展位错的交滑移：扩展位错 （原滑移面） 束集 全螺位错 转移分解 扩展位错（另一滑移面）,扩展位错的交滑移过程,（3）位错网络Dislocation network,实际晶体中,当存在几种柏氏矢量的位错时，有时会组成二维或三维的位错网络,（4）面角（LomerCottrell）位错： 两全位错，在外力作用下滑移后： 1 在两个面交线发生反应进行洛玛反应 2 在各自面分解形成扩展位错 3 两扩展位错移动反应形成压杆位错。 结果在两个111面之间的面角上,形成由三个不全位错和两个层错所构成的组态,称为LomerCottrel位错，又称面角位错。,例题 一,试分析在fcc中，下列位错反应能否进行?并指出其中三个位错的性质类型？反应后生成的新位错能否在滑移面上运动？,在A1的单晶体中，若(111)面上有一位错 与 面上的位错 发生反应时， (1)写出上述位错反应方程式，并用能量条件判明位错反应进行的方向， (2)说明新位错的性质；,例题 二,解：(1),位错反应可以向右进行,（2）新位错为面心立方点阵的单位位错，其位错线为（111）与（11-1）两个晶面的交线-110，新位错为刃型位错，