固体物理第四章1-2

1、第四章第四章 晶体的缺陷晶体的缺陷4.1 晶体缺陷的基本类型晶体缺陷的基本类型 4.2 位错缺陷的性质位错缺陷的性质 4.3 热缺陷的统计理论热缺陷的统计理论 4.4缺陷的扩散缺陷的扩散 4.5离子晶体的热缺陷在外场中的迁移离子晶体的热缺陷在外场中的迁移4.1 晶体缺陷的基本类型晶体缺陷的基本类型一、点缺陷一、点缺陷晶体中的填隙原子、空位、俘获电子的空位、杂质原子等，晶体中的填隙原子、空位、俘获电子的空位、杂质原子等，称为点缺陷。称为点缺陷。 缺陷约占一个原子的尺寸，引起晶格周期性在一到几个原胞缺陷约占一个原子的尺寸，引起晶格周期性在一到几个原胞范围内发生紊乱。范围内发生紊乱。1、弗仑克尔缺陷

2、、弗仑克尔缺陷 正常格点上的原子，无时无刻不在作围绕平衡点的振动。正常格点上的原子，无时无刻不在作围绕平衡点的振动。由于存在热振动的涨落，振幅大的原子就会摆脱平衡位置而由于存在热振动的涨落，振幅大的原子就会摆脱平衡位置而进入原子间隙位置。这种由一个正常原子通事产生一个填隙进入原子间隙位置。这种由一个正常原子通事产生一个填隙原子和一个空位的缺陷称为弗仑克尔缺陷。原子和一个空位的缺陷称为弗仑克尔缺陷。弗仑克弗仑克尔缺陷尔缺陷正常格正常格点原子点原子填隙填隙原子原子特点：弗仑克尔缺陷是成对产生的，空位和填隙原特点：弗仑克尔缺陷是成对产生的，空位和填隙原子是原子的热运动引起的，空位和填隙原子又称为子是

3、原子的热运动引起的，空位和填隙原子又称为热缺陷。热缺陷。肖特基缺陷 原子由内到外依次移动，最表面上的原子位移到一个原子由内到外依次移动，最表面上的原子位移到一个新的位置。晶体内这种不伴随填隙原子产生的空位，称作新的位置。晶体内这种不伴随填隙原子产生的空位，称作肖特基缺陷。肖特基缺陷。正常原子格点位置变为空位表面上的原子2、肖特基缺陷、肖特基缺陷 特点：特点：p由于肖特基缺陷产生时，伴随表面原子的增多，所以肖由于肖特基缺陷产生时，伴随表面原子的增多，所以肖特基缺陷数目较多时，晶体的质量密度会减小。特基缺陷数目较多时，晶体的质量密度会减小。p形成填隙原子时，原子挤入间隙位置所需的能量比产生形成填隙

4、原子时，原子挤入间隙位置所需的能量比产生肖特基空位所需能量要大，一般说来，当温度不太高时，肖肖特基空位所需能量要大，一般说来，当温度不太高时，肖特基缺陷的数目要比弗仑克尔缺陷数目要大得多。特基缺陷的数目要比弗仑克尔缺陷数目要大得多。3、替位式杂质原子、替位式杂质原子 在晶体生长、半导体材料及电子陶瓷材料制备中，在晶体生长、半导体材料及电子陶瓷材料制备中，常常有目的的加入少量的杂质原子，使其形成替位式常常有目的的加入少量的杂质原子，使其形成替位式杂质。杂质。4、色心、色心定义定义：能吸收光的点缺陷称为色心。：能吸收光的点缺陷称为色心。现象：现象：完善的晶体是无色透明的。众多的色心缺陷能使晶完善的

5、晶体是无色透明的。众多的色心缺陷能使晶体呈现一定的颜色。体呈现一定的颜色。莫罗关系：a2 典型的色心典型的色心F心：心：离子晶体中负离子空位束缚一个离子晶体中负离子空位束缚一个电子的组合。在此情况下，空位可以看做是电子的陷阱。为电子的组合。在此情况下，空位可以看做是电子的陷阱。为简单起见，势阱的宽度取为离子的尺寸，对典型离子晶体设简单起见，势阱的宽度取为离子的尺寸，对典型离子晶体设晶格常数为晶格常数为a，陷阱宽度为陷阱宽度为a/2。根据量子力学，该束缚电子根据量子力学，该束缚电子的能量为：的能量为：222222222)2(8manamnEn 其中其中m为电子质量，为电子质量，n为整数，为整数，

6、n1时为基态，时为基态，n2时为时为第一激发态。第一激发态。电子从基态跃迁到第一激发态所吸收的能量电子从基态跃迁到第一激发态所吸收的能量22223ma 式中式中为吸收光子的角频率，从上式可以推论出：吸为吸收光子的角频率，从上式可以推论出：吸收光的波长与晶格常数的平方成正比，即莫罗关系收光的波长与晶格常数的平方成正比，即莫罗关系a2可见离子尺寸越小可见离子尺寸越小 ，F心吸收广的波长就越短，反之越长。心吸收广的波长就越短，反之越长。二二 、线缺陷、线缺陷定义：定义：沿一平面，晶体的一部分相对于另一部分发生滑移沿一平面，晶体的一部分相对于另一部分发生滑移时，在滑移部分与未滑移部分的交界处，晶格容易

7、发生错时，在滑移部分与未滑移部分的交界处，晶格容易发生错位，这种缺陷称为位错。位，这种缺陷称为位错。典型位错类型：典型位错类型：刃位错、螺位错刃位错、螺位错一、刃位错一、刃位错 说明：（说明：（a)是未滑动前的晶格，（是未滑动前的晶格，（b)晶体的上半部分沿晶体的上半部分沿AB晶面向晶面向右滑动，右滑动，CD是还未滑动的晶面；在滑动和未滑动的交界处，有半截是还未滑动的晶面；在滑动和未滑动的交界处，有半截晶面晶面EF，在晶体的下半部分没有与它相连的晶面；这半截晶面在晶体的下半部分没有与它相连的晶面；这半截晶面F顶顶端的原子链恰出在这半截原子面的刃上，所以称这条原子链为刃位端的原子链恰出在这半截原

8、子面的刃上，所以称这条原子链为刃位错。错。EF是晶体的挤压区与未挤压区的分界线，位错线是晶体的挤压区与未挤压区的分界线，位错线F以下的原子以下的原子间距变大，原子间有较强的吸引力，间距变大，原子间有较强的吸引力，F的左右晶格被挤压，原子间的左右晶格被挤压，原子间的排斥力增大。的排斥力增大。滑动前的晶格滑动前的晶格ABCDEF刃位错刃位错未滑动的晶面未滑动的晶面滑动后形成刃滑动后形成刃位错的晶格位错的晶格 实际晶体的小角倾斜现象可以看成是由以系列刃位错实际晶体的小角倾斜现象可以看成是由以系列刃位错排列所造成的排列所造成的小角晶界的刃位错 晶体是由倾斜角很小的两部分晶体结合而成。为了使接晶体是由倾

9、斜角很小的两部分晶体结合而成。为了使接合部的原子尽可能的规则排列，就得每隔一定距离多生长出合部的原子尽可能的规则排列，就得每隔一定距离多生长出一层原子面，这些多生长出来的半截原子面的顶端原子链就一层原子面，这些多生长出来的半截原子面的顶端原子链就是刃错位。是刃错位。2、螺位错、螺位错螺位错线 如果绕螺位错环行，就会象走坡度很小无台阶的楼梯如果绕螺位错环行，就会象走坡度很小无台阶的楼梯一样，从一层晶面走到另一层晶面。显然螺位错就是图中一样，从一层晶面走到另一层晶面。显然螺位错就是图中螺旋面的旋转轴。可见螺位错线与螺旋面的旋转轴。可见螺位错线与 滑移方向平行，二刃位滑移方向平行，二刃位错线于滑移方

10、向垂直。错线于滑移方向垂直。与刃位错相比，除了滑移矢量平行与刃位错相比，除了滑移矢量平行位错线外，螺位错并没有多余的半截晶面。位错线外，螺位错并没有多余的半截晶面。 螺位错线C三、面缺陷三、面缺陷l晶体内部偏离周期性点阵结构的二维缺陷称为面缺陷。晶体内部偏离周期性点阵结构的二维缺陷称为面缺陷。l晶体中的面缺陷主要有晶粒界面和堆积层错两种。晶体中的面缺陷主要有晶粒界面和堆积层错两种。 1. 晶界晶界 晶粒之间的边界晶界是原子无序排列的过渡层。晶粒之间的边界晶界是原子无序排列的过渡层。过渡层的厚度相当于几个晶格常数。过渡层的厚度相当于几个晶格常数。2. 堆积层错堆积层错 堆积层错是在密堆积结构中，

11、晶面堆积顺序出现错乱时所产生堆积层错是在密堆积结构中，晶面堆积顺序出现错乱时所产生的面缺陷。的面缺陷。面心立方结构来说明这种面缺陷的形成。沿面心立方晶格面心立方结构来说明这种面缺陷的形成。沿面心立方晶格的的111方向看，格点相继排列在晶面方向看，格点相继排列在晶面A，B，C上，其正常堆积上，其正常堆积顺序为顺序为 ABC ABC ABC ABC 如果由于某种原因，堆积层次发生错乱，例如从某晶面如果由于某种原因，堆积层次发生错乱，例如从某晶面C开始开始AB堆积交错，形成堆积交错，形成 ABC ABC ABC BA CBA CBA CBA堆积。堆积。这样的堆积具有镜面对称性。把排列顺序互为物象关系

12、这样的堆积具有镜面对称性。把排列顺序互为物象关系的晶体称为孪晶。的晶体称为孪晶。BA是左、右两块孪晶的边界，是一种面缺陷。是左、右两块孪晶的边界，是一种面缺陷。 由于某种原因在堆积过程中多出或者缺少某层晶面，形成由于某种原因在堆积过程中多出或者缺少某层晶面，形成 ABC ABC AC BC ABC ABCABC ABC AB ABC ABC ABC整个晶面发生错位的缺陷称为堆垛层错。整个晶面发生错位的缺陷称为堆垛层错。多一层多一层C少一层少一层C4.2 位错缺陷的性质位错缺陷的性质 一、位错的滑移一、位错的滑移p当一金属晶体被拉伸时，拉伸力若超过弹性限度，晶体产当一金属晶体被拉伸时，拉伸力若超

13、过弹性限度，晶体产生沿某一族晶面发生滑移的现象。生沿某一族晶面发生滑移的现象。p结构相同的晶体，滑移发向合滑移面通常是相同的。结构相同的晶体，滑移发向合滑移面通常是相同的。晶体滑移示意图1、刃错位滑移、刃错位滑移 位错是晶体滑动部分与为滑动部分的分界线，在位错附近位错是晶体滑动部分与为滑动部分的分界线，在位错附近由于晶格发生了畸变，原子的受力情况也发生了变化。由于晶格发生了畸变，原子的受力情况也发生了变化。排斥力大于排斥力大于吸引力吸引力吸引力大于排吸引力大于排斥力斥力F GKHFGH位错位错线滑线滑移移说明说明1、晶体的一部分相对于另一部分的滑移，实际是位错、晶体的一部分相对于另一部分的滑移，实际是位错 线的移动；线的移动；2、位错线的移动是逐步进行的；、位错线的移动是逐步进行的；3