晶格中的缺陷和扩散

1、晶体结构晶体结合晶格振动晶体缺陷晶体缺陷金属自由电子论固体能带论针对晶态物质的传统固体物理内容针对晶态物质的传统固体物理内容晶体缺陷对固体的一些重要性质往往起着决定性的作用，但晶体缺陷对固体的一些重要性质往往起着决定性的作用，但是是“晶体缺陷晶体缺陷”在传统固体物理内容中占据相对独立的位置。在传统固体物理内容中占据相对独立的位置。其他第三篇第三篇只有在热平衡条件下晶体中才具有稳定的或可确定的热缺陷数目，才有可能和必要对其数目进行统计计算。3.1 定义和分类：定义和分类： 所有与晶体结构严格三维周期排列的偏离都可以被所有与晶体结构严格三维周期排列的偏离都可以被认为是晶体缺陷或不完整性，实际晶体都

2、是有缺陷认为是晶体缺陷或不完整性，实际晶体都是有缺陷的不完整晶体。的不完整晶体。按照尺度、维度可以将晶体缺陷划分为：按照尺度、维度可以将晶体缺陷划分为：点缺陷（零维）：空位；间隙原子；杂质；错位点缺陷（零维）：空位；间隙原子；杂质；错位线缺陷（一维）：刃型位错，螺旋位错线缺陷（一维）：刃型位错，螺旋位错面缺陷（二维）：小角晶界，堆垛层错面缺陷（二维）：小角晶界，堆垛层错体缺陷（三维）：多晶晶粒间界，空洞，包藏物，异相物等体缺陷（三维）：多晶晶粒间界，空洞，包藏物，异相物等缺陷的来源：缺陷的来源：u晶体在生成过程中或在合金化过程中携带的或晶体在生成过程中或在合金化过程中携带的或有意掺入的杂质或生

3、成的缺陷；有意掺入的杂质或生成的缺陷；u晶体在加工和使用过程中产生的缺陷（主要指晶体在加工和使用过程中产生的缺陷（主要指位错）；位错）；u受电子束离子束强辐照后产生的缺陷；受电子束离子束强辐照后产生的缺陷；u原子自身热运动所产生的缺陷，后者即使在没原子自身热运动所产生的缺陷，后者即使在没有杂质的理想配比的晶体中也是存在的，所以有杂质的理想配比的晶体中也是存在的，所以又称本征缺陷。又称本征缺陷。注意注意：除了上述缺陷外，还有许多元激发，如反映晶格振动的声子等，除了上述缺陷外，还有许多元激发，如反映晶格振动的声子等，有人也把它们归入晶格不完整性范畴，不过这里我们只限于讨论上述有人也把它们归入晶格不

4、完整性范畴，不过这里我们只限于讨论上述（静止）缺陷问题。关于各种元激发的讨论将分散在各章中进行（静止）缺陷问题。关于各种元激发的讨论将分散在各章中进行。研究缺陷的意义：研究缺陷的意义： 按严格周期性模型给出的理论结果和实际晶体按严格周期性模型给出的理论结果和实际晶体的测量结果之间总会存在一些差别，的测量结果之间总会存在一些差别，对实际晶体中对实际晶体中存在的缺陷分析将帮助我们解释产生这些差异的原存在的缺陷分析将帮助我们解释产生这些差异的原因。因。 另一方面，晶体中的缺陷对许多重要的晶体性另一方面，晶体中的缺陷对许多重要的晶体性质可能会起着支配作用质可能会起着支配作用 ，有时侯基质晶体反而仅仅，

5、有时侯基质晶体反而仅仅只需要作为缺陷的载体看待即可，只需要作为缺陷的载体看待即可，研究缺陷的性质研究缺陷的性质和运动才是解释这些性质的关键。和运动才是解释这些性质的关键。比如：半导体的比如：半导体的导电率；许多晶体的颜色和光学性质；晶体中的原导电率；许多晶体的颜色和光学性质；晶体中的原子扩散，力学性质和范性形变等。子扩散，力学性质和范性形变等。特别是金属和合特别是金属和合金的强度和范性形变理论就是建立在对位错了解的金的强度和范性形变理论就是建立在对位错了解的基础上，它已是固体研究的一个独立学科了基础上，它已是固体研究的一个独立学科了。理论理论意义意义实际实际意义意义晶格缺陷的主要类型一、点缺陷

6、定域在格点附近一个或几个晶格常数范围内偏离晶格周期性的结构称为点缺陷，如空位、间隙原子、杂质原子等，点缺陷也能集合在一起形成缺陷的复合体。1. 空位（Schottky缺陷）原子脱离正常格点位置移动到晶体表面的正常格点位置，从而在原格点位置留下一个空格点，这种点缺陷称为空位。在一定的温度下，晶体内部的空位和表面上的原子处于平衡。2. Frenkel缺陷原子脱离正常格点位置进入了间隙位置，形成一个空位和一个间隙原子。我们将这种空位间隙原子对称为Frenkel缺陷。在Frenkel缺陷中，空位与间隙原子总是成对出现的。在一定温度下，缺陷的产生和复合的过程相平衡。形成Frenkel缺陷时，原子从正常格

7、点跳到格点与格点间的间隙位置，其周围原子必然受到相当大的挤压。因此，从直观看，形成一个Frenkel缺陷要比形成一个空位所需的能量大些，因而也更难些。Frenkel缺陷和Schottky缺陷都是由于晶格振动（热运动）而产生的称为热缺陷，且为本征缺陷（固有原子缺陷）。杂质缺陷本征缺陷（热缺陷）：本征缺陷（热缺陷）： 空位式缺陷，又称肖特基（肖特基（Schottky） 缺陷缺陷 填隙式缺陷，又称弗仑克尔（弗仑克尔（Frenkel） 缺陷缺陷外来缺陷：外来缺陷： 替位式原子（如同位素原子、杂质和掺杂原子等) 间隙式原子（如杂质和掺杂原子）无序缺陷：无序缺陷： 换位式缺陷（不同原子的偶尔换位）3.间隙

8、原子如果一个原子从正常表面位置挤进完整晶格中的间隙位置，则称为间隙原子。在一定的温度下，这些填隙原子和晶体表面上的原子处于平衡状态。当外来的杂质原子比晶体本身的原子为小时，这些比较小的外来原子很可能存在于间隙位置。4.有序合金中的错位有序合金中格点上原子的排列发生错位。ABABBABAAABBBBAAAABB5. 杂质原子（杂质缺陷）当晶体中的杂质以原子状态在晶体中形成点缺陷时，称为杂质原子。如果杂质原子取代了晶体中原子所占的格点位置，称之为替位式杂质原子；若杂质原子进入晶格中的间隙位置，称为填隙式杂质原子。K Cl K Cl KCl K Cl K Cl K Cl K Cl KCl K Cl

9、K ClK Cl K Cl KCl K Cl K Cl Ca2离子晶体中的点缺陷是带电中心，若高价杂质离子取代了低价离子进入晶格后，由于要保持电中性，它可取代不止一个离子，形成缺位式杂质。在偏离理想状态的固体点缺陷中，除了热运动引起的本征点缺陷之外，其余都为杂质点缺陷。6.缺陷团不同的点缺陷之间存在复杂的相互作用。例如，单个空位倾向于互相吸引；间隙原子吸引空位，产生复合现象；空位和间隙原子还能与不同类型的杂质相互作用，可以相斥或者相吸。如有足够数量的缺陷，这类相互作用将导致缺陷聚集形成缺陷团。卤化碱晶体中的离子空位和空位复合体7. 色心在离子晶体中，还有一种特殊的点缺陷色心。由于离子晶体中的点

10、缺陷是带有效电荷的带电中心，它可束缚电子或空穴。晶体中的光吸收使这些电子或空穴激发，其吸收带落在可见光范围，因而，光吸收使原来透明的晶体出现了不同的颜色，我们将与吸收带对应的吸收中心称为色心（如F心是一个卤素负离子空位加上一个被束缚在其库仑场中的电子）。产生色心的方法很多，如将NaCl晶体放在Na金属蒸气中加热，然后再骤冷至室温，就可使原无色的晶体变成淡黄色。此外，色心还可以通过用X射线或 射线辐照、中子或电子轰击晶体来产生。离子晶体中的肖特基缺陷离子晶体中的肖特基缺陷不含缺陷的不含缺陷的NaCl晶体晶体包含一对肖特基缺陷的包含一对肖特基缺陷的NaCl晶体晶体离子晶体中的弗仑克尔缺陷离子晶体中

11、的弗仑克尔缺陷包含两个包含两个Na+离子填隙弗仑克尔离子填隙弗仑克尔缺陷的缺陷的NaCl晶体晶体掺入二价元素后，在卤化碱晶体中出现的空位掺入二价元素后，在卤化碱晶体中出现的空位离子晶体中的替代式空位离子晶体中的替代式空位二、线缺陷 当晶格周期性的破坏是发生在晶体内部一条线的周围近邻，称为线缺陷。晶体中的位错是一种很重要的线缺陷。位错影响着晶体的力学、电学、光学等方面的性质，并且直接关系到晶体的生长过程。所以，位错是一种具有普遍意义的晶体缺陷（将单独介绍）。 晶体遭受应力作用时，某些原子沿特征方向发生滑移，晶体中滑移区与非滑移区的交界线称为位错线。位错线上的原子偏离了原来完整晶格的位置，即原子排

12、列发生畸变，这种畸变涉及位错线附近的若干层原子，离中心越远畸变越小，但它的直径与位错线的长度相比是很小的，故位错属于一种线缺陷。刃型位错示意图刃型位错示意图线缺陷线缺陷刃型位错的结构。晶体中刃型位错的结构。晶体中的形变可以看作是由于在的形变可以看作是由于在y轴的下半部分插入了一轴的下半部分插入了一片额外的原子面所产生。片额外的原子面所产生。这个原子面的插入使下半这个原子面的插入使下半部分晶体中的原子受到挤部分晶体中的原子受到挤压，而使上半部分中的原压，而使上半部分中的原子受到拉伸。子受到拉伸。EF刃位错滑移部分滑移部分未滑移部分未滑移部分AB螺位错滑移部分滑移部分未滑移部分未滑移部分滑移方向滑

13、移方向位错线位错线 位错有两种基本型：刃位错（位错线垂直于滑移的方向）和螺位错（位错线平行于滑移的方向）。在一般情况下，晶体中的位错往往是这两种基本型的混合（混合位错）。螺旋位错示意图螺旋位错示意图 由于位错线是已滑移区与未滑移区的边界线。因此，位错具有一个重要的性质，即一根位错线不能终止于晶体内部，而只能露头于晶体表面（包括晶界）。若它终止于晶体内部，则必与其它位错线相连接，或在晶体内部形成封闭线。形成封闭线的位错称为位错环。 晶体内部偏离周期性点阵结构的二维缺陷称为面缺陷。常见的面缺陷有：晶粒间界（晶粒之间的边界）、堆垛层错、挛晶界和小角晶界（相互有小角度倾斜的两部分晶体之间的区域，可以看

14、做是一系列刃位错的相继排列）等。 堆垛层错是指构成晶体的原子平面的正常堆垛顺序遭到破坏和错排，如在面心立方晶体中，原子平面的正常堆垛顺序为：ABCABC ，如出现 ABCABABC ，则我们说发生了层错。三、面缺陷 此外，还有体缺陷，如：空洞、气泡和包裹物等。面缺陷面缺陷晶体的表面实际上是最常见的面缺陷。晶体的表面实际上是最常见的面缺陷。层错层错是指晶体原子层的堆积发生错误，如在面心立方晶体（是指晶体原子层的堆积发生错误，如在面心立方晶体（fcc）中，）中，原子层的堆积次序为：原子层的堆积次序为：ABCABC ，如出现，如出现 ABCABABC ，就，就说发生了层错。说发生了层错。体缺陷体缺陷

15、SEM下金属中的空洞。下金属中的空洞。当空洞的形成源于晶体生当空洞的形成源于晶体生长过程中气体的聚集时，长过程中气体的聚集时，该类空洞常称之为气孔。该类空洞常称之为气孔。其他体缺陷还包括多晶材其他体缺陷还包括多晶材料中的晶粒间界，晶体中料中的晶粒间界，晶体中的包藏物、异相物等。的包藏物、异相物等。联系与缺陷有关的若干现象晶体的有些性质对晶体中存在的少量缺陷是不敏感的，但是晶体的另外一些性质对低浓度的缺陷也是极其敏感的，这种性质称为结构敏感性质。1.缺陷对晶格振动频谱的影响。当晶体中存在缺陷时，在缺陷附近，原子间的弹性恢复力系数发生改变，晶格振动的频谱分布也发生改变，出现局域模。2.缺陷的出现改

16、变晶格的自由能。晶格缺陷的产生需要能量。3.空位的出现引起晶体线度的变化。晶体一部分原子脱离正常格点位置而移到晶体表面，在原来的格点处形成空位，晶体的线度随之变化。4.空格点的出现引起晶体密度的变化。5.晶格缺陷的出现引起比热的“反常”。缺陷引起比热“反常”。图中所示的是AgBr晶体恒压比热Cp随温度变化的关系曲线 3.2 点缺陷及其运动点缺陷及其运动1热平衡状态下的点缺陷热平衡状态下的点缺陷 (黄昆书黄昆书12.3节节) )exp(kTWNnss)2exp() (21kTWNNnffSchottky 缺陷浓度Frenkel 缺陷浓度式中式中N为原子数，为原子数，N为间隙位置数目，为间隙位置数

17、目，Ws是将一个原子从晶体内部格是将一个原子从晶体内部格点上转移到表面格点上所需要的能量，点上转移到表面格点上所需要的能量，Wf为将一个原子从格点移到间为将一个原子从格点移到间隙位置所需要的能量。隙位置所需要的能量。Schottky缺陷浓度公式的推导：缺陷浓度公式的推导： 由热力学可知，在等温过程中，当热缺陷数目达到平衡时，系统的自由能取极小值：0TFn!)(ssNnNnNnNCs！ 设晶体中原子的总数为N，在一定温度下，形成一个空位所需的能量为Ws，设晶体中空位的数目为ns（N ns ） 由于晶体中出现空位，系统自由能的改变为： F UT S这里， U nsWs ，而根据统计物理： S kB

18、lnW其中W为系统新增加的微观状态数。 晶格中有ns个空位时，整个晶体将包含N+ns个格点。N个相同的原子将可以有种不同的排列方式，这将使熵增加。!)!(lnssBnNnNkS因而存在ns个空位时，自由能函数将改变：达到平衡时，应该有第一个等式中利用了斯特令公式：lnN! = NlnN - N (当N很大时)!)!(lnssBssnNnNTkWnSTUFNNnnnNnNnTkWnFsssssBsTslnln)ln()()exp(kTWNnss0)(lnssBsnnNTkW由此，并考虑到一般情况下由此，并考虑到一般情况下ns TE的情况下近似成立。当温度下降时，空位的跳跃率随温度下降很快地降低，

19、以致在较低温度下，空位几乎不能移动，发生所谓的空位冻结。空位的跳跃率可以写作：kTe/0其中其中0 0为空位相邻原子的振动频率，为空位相邻原子的振动频率，为空位移动所需克服的势磊为空位移动所需克服的势磊. 晶体中原子自扩散（或称体扩散、晶格扩散）的微观机构可概括为三种：空位机构、间隙原子机构和易位机构。1直接交换扩散（或称易位机制）如相邻直接交换扩散：指固体中原子依赖热运动，使相邻的两个原子互换位置而产生扩散现象。但这样简单交换将在晶体中产生很大的瞬间畸变，原子迁移时需克服极大的扩散活化能（例如10eV），这样扩散方式通常情况下是难以实现的。2空位扩散空位扩散是以空位为机制的扩散（扩散原子或离

20、子通过与空位互换位置进行迁移即原子的扩散过程是通过空位的迁移来实现的）空位扩散机制是材料中极为普遍的扩散方式（根据理论计算低于其他机制）。对材料中许多具体问题中的现象都与空位机制有关。3填隙扩散填隙扩散指一个原子由正常位置（格点位置）进入填隙位置，继而由一个填隙位置进入相邻填隙位置的扩散现象。形成填隙原子所需能量通常要高于空位形成能。以上三种方式均为晶体中自扩散或无规行走方式进行的扩散（基本假设：（类似布朗运动）原子跃迁几率 与浓度或浓度梯度状况无关。跃迁是完全自由的、无规的（即前一次跃迁与后一次跃迁无关，且向各个方向都可能。 晶体中原子的扩散与气体中分子的扩散一样，其本质也是粒子（包括原子、

21、离子和点缺陷）无规则的布朗运动。杂质在晶体中的扩散 杂质的扩散系数和晶体的自扩散系数，在数量级上就有差别。外来原子在晶体中存在的方式，可以是占据晶格的间隙位置，也可以替代原来的基本原子，而占据格点位置。实验结果表明，如果外来原子的半径比基本原子小得多，它们总是以填隙的方式存在于晶体中，并且它们也以填隙的方式在晶体中扩散，所得出的扩散系数比自扩散系数大得多。 对于替位式的外来原子（取代正常格点的原子位置），其扩散的方式同自扩散更为相似，但实验表明，其扩散系数也比晶体的自扩散系数为大，主要原因之一是外来原子和晶体中的基本原子的大小不同，当它们替代晶体中的原子后，引起了周围的晶格畸变。正因为外来原子

22、的周围是个畸变区，所以近邻出现空位的几率比较大，这样，外来原子依靠空位机构而扩散的速率也就快了。二二.原子扩散理论原子扩散理论 （黄昆书（黄昆书12.4节）节） 样品中原子浓度不均匀时，原子就会从高浓度样品中原子浓度不均匀时，原子就会从高浓度区向低浓度区迁移，直到样品中原子分布均匀为区向低浓度区迁移，直到样品中原子分布均匀为止。这种原子的迁移现象叫扩散。扩散现象对固止。这种原子的迁移现象叫扩散。扩散现象对固体材料的应用有着重要影响，如半导体体材料的应用有着重要影响，如半导体Si，Ge中中可以通过扩散可以通过扩散-族元素来控制其导电类型和电族元素来控制其导电类型和电阻率；扩散现象也决定着或影响着

23、固体的许多物阻率；扩散现象也决定着或影响着固体的许多物理性质。晶体中原子的扩散现象和其存在的点缺理性质。晶体中原子的扩散现象和其存在的点缺陷是密切相关的。陷是密切相关的。扩散的三种基本机制：扩散的三种基本机制： Kittel 8版 p397两个原子换位通过间隙原子迁移通过空位交换位置描述扩散现象的宏观规律：描述扩散现象的宏观规律： nD nt jFick 第二定律第二定律 ：D n jFick 第一定律第一定律 ：扩散物质浓度不大的情况下，单扩散物质浓度不大的情况下，单位时间内，通过单位面积的扩散物的量（简称扩散位时间内，通过单位面积的扩散物的量（简称扩散流），决定于浓度流），决定于浓度n的梯

24、度：的梯度：nDtn2如果假设扩散系数与浓度无关，就有将一定量的 扩散物质涂在一半无限大晶体的一端面上，厚度为，在温度T下，使其从晶体表面向内部扩散，求扩散物质在晶体中的分布。扩散方程：22nnDtx初始条件：,0n x00Nn0 x x 0 xNFick第二定律在一维扩散情况下的应用第二定律在一维扩散情况下的应用约束条件：0,n x t dxN满足上述条件的解为：2,exp4Nxn x tDtDtt2 t2t10t1t=0n(x,t)x0 实验上，常用示踪原子法来研究实验上，常用示踪原子法来研究晶体中原子的扩散过程，方法是将含晶体中原子的扩散过程，方法是将含有发射性同位素的扩散物质涂在晶体表

25、面，在一定温度下，经过一定有发射性同位素的扩散物质涂在晶体表面，在一定温度下，经过一定时间的扩散，然后对样品逐层取样，测量其放射性强度，即可得出其时间的扩散，然后对样品逐层取样，测量其放射性强度，即可得出其浓度分布曲线，浓度分布曲线，进而可以确定扩散系数进而可以确定扩散系数D。2ln,ln4Nxn x tDtDt1tg4Dt14 tgDtx2lnn(x)0扩散系数与温度的关系：扩散系数与温度的关系： 扩散系数与温度有密切关系，温度越高，扩散就越快。我们可在不同温度下测量原子的扩散系数D(T)，实验发现，若温度变化范围不太宽，那么，扩散系数与温度的关系为0( )expQD TDRT其中：D0为常

26、数，R是气体常数，Q为扩散激活能，在研究原子的扩散过程中，扩散激活能是个相当重要的物理量。有关扩散系数的定性结论：有关扩散系数的定性结论：p 间隙式的原子一般具有较高的扩散系数（例如碳原子在钢铁中的扩间隙式的原子一般具有较高的扩散系数（例如碳原子在钢铁中的扩散）。散）。p 溶解度愈低的代位式原子，扩散系数愈大。溶解度愈低的代位式原子，扩散系数愈大。p 依靠示踪原子方法还可以测量晶格本身的原子的扩散（如放射性依靠示踪原子方法还可以测量晶格本身的原子的扩散（如放射性Fe原原子在子在Fe晶体中的扩散），这种扩散称为晶体中的扩散），这种扩散称为自扩散自扩散，自扩散系数往往低于，自扩散系数往往低于外加元

27、素的扩散系数。外加元素的扩散系数。Kittel 第第8版版 p398微观理论的描述：微观理论的描述： 间隙位置上杂质原子的扩散间隙位置上杂质原子的扩散若以若以表示原子的特征振动频率，则在表示原子的特征振动频率，则在1s内的某一时刻原子具有足够的热能内的某一时刻原子具有足够的热能而越过势磊的概率而越过势磊的概率p为为 p exp(-/kT)在在1s时间内，原子对势磊进行时间内，原子对势磊进行次冲击，而每次尝试中越过势磊的概率是次冲击，而每次尝试中越过势磊的概率是exp(-/kT)。量。量p称为跳迁频率。称为跳迁频率。考虑处在间隙位置上的杂质原子所构成的两个平行平面。平面间距等于晶格考虑处在间隙位

28、置上的杂质原子所构成的两个平行平面。平面间距等于晶格常数常数a。一个平面上有。一个平面上有S个杂质原子，另一个平面上有（个杂质原子，另一个平面上有（S+adS/dx）个杂质）个杂质原子。原子。1s内由一个平面度越至第二平面的净原子数近似等于内由一个平面度越至第二平面的净原子数近似等于-padS/dx。若杂。若杂质原子的总浓度为质原子的总浓度为N，则一个平面上每单位面积上的，则一个平面上每单位面积上的 S = aN。于是，扩散通量就可以写成于是，扩散通量就可以写成 JN -pa2 (dN/dx)对比对比 就得到就得到 D = a2 exp(-/kT)0( )expQD TDRT因此，因此， D0

29、 = a2 ，扩散激活能，扩散激活能 Q = NA, NA为阿伏伽德罗常数为阿伏伽德罗常数。空位式扩散空位式扩散这种情况下，格点上的扩散原子虽然不断向四邻冲击，但只有当一个空这种情况下，格点上的扩散原子虽然不断向四邻冲击，但只有当一个空位出现在它四周时，它才实际有可能跃进这个空位从而移动一步，此时位出现在它四周时，它才实际有可能跃进这个空位从而移动一步，此时的跳跃率可以写成的跳跃率可以写成 p Pexp(-/kT)与间隙原子跳跃率相比，只是增加了一个表示邻近格点为空位的几率因与间隙原子跳跃率相比，只是增加了一个表示邻近格点为空位的几率因子子P。由由 可知可知 P = ns/N = exp(-W

30、s/kT)，带入上式，得，带入上式，得 p exp-(+Ws )/ kT )exp(kTWNnss对比，对比， 可以得到可以得到 D = a2 exp -(+Ws )/ kT 0( )expQD TDRT因此，因此， D0 = a2 ，扩散激活能，扩散激活能 Q = NA (+Ws )对于原子的自扩散和晶体中替位式杂质或缺位式杂质的异对于原子的自扩散和晶体中替位式杂质或缺位式杂质的异扩散，一般可以认为是通过扩散，一般可以认为是通过空位机制空位机制扩散的。扩散的。3 离子晶体中的点缺陷离子晶体中的点缺陷离子性导电：离子性导电：离子晶体中，带电离子被固定在晶格离子晶体中，带电离子被固定在晶格 位置

31、上，理想情形电场作用下是不导电的，位置上，理想情形电场作用下是不导电的， 应该是绝缘体。但实际晶体中却存在一定的导应该是绝缘体。但实际晶体中却存在一定的导 电性，而且电导率是温度的敏感函数，温度高电性，而且电导率是温度的敏感函数，温度高 时可以有和金属相同量级的电导率，分析表明时可以有和金属相同量级的电导率，分析表明 这是由于点缺陷的存在及其扩散运动促成了离这是由于点缺陷的存在及其扩散运动促成了离 子晶体中正负离子在电场作用下定向漂移的结子晶体中正负离子在电场作用下定向漂移的结 果，称之为离子性导电。果，称之为离子性导电。 离子晶体中的点缺陷（空位和间隙原子）都带有一定电离子晶体中的点缺陷（空

32、位和间隙原子）都带有一定电荷，没有外场时做无规则的布朗运动，不产生宏观电流。荷，没有外场时做无规则的布朗运动，不产生宏观电流。离子性导电联系高温下的离子晶体导电在外力F作用下填隙原子的势场(a)填隙原子沿虚线运动；(b)没有外力作用的势场；(c)在外力作用下的势场。势垒不再是对称的了，向左与向右跳动的几率不一样了。 离子晶体中带电的点缺陷在外电场作用下产生的导电现象称为离子导电。离子导电现象是由离子中的点缺陷在晶格中运动形成的，因此离子导电的机制与离子自扩散的机制有关，所不同者，这里涉及的是点缺陷在外场作用下的运动。 当有外电场时，外电场对它们携带电荷的作用，当有外电场时，外电场对它们携带电荷

33、的作用，使布朗运动产生一定的倾向，从而引起宏观电流。使布朗运动产生一定的倾向，从而引起宏观电流。通过分析可以给出离子性导电的欧姆定律表通过分析可以给出离子性导电的欧姆定律表达式。达式。 （见黄昆书p555）显然和金属不同，温度越高，电导率越高。显然和金属不同，温度越高，电导率越高。另外还可以得出迁移率另外还可以得出迁移率与扩散系数与扩散系数D之间之间的的爱因斯坦关系爱因斯坦关系DTkqB离子导电性研究是探讨晶格缺陷的重要工具离子导电性研究是探讨晶格缺陷的重要工具 对于含有已知量二价金属离子的卤化碱和卤化银对于含有已知量二价金属离子的卤化碱和卤化银进行的研究工作表明：在不很高的温度下，离子电导进行的研究工作表明：在不很高的温度下，离子电导率正比于二价掺杂的量。这并不是由于二价离子本征率正比于二价掺杂的量。这并不是由于二价离子本征的活动性高，因为在阴极上淀积出来的主要是单价金的活动性高，因为在阴极上淀积出来的主要是单价金属离子。伴随着二价离子而引入的晶格空位增进了扩属离子。伴随着二价离子而引入的晶格空