固体物理4章晶体缺陷ppt课件

1、O返回本章主要内容：本章主要内容：1 1、教学内容：、教学内容： 点缺陷、面缺陷、体缺陷的产生及扩散。点缺陷、面缺陷、体缺陷的产生及扩散。2 2、基本要求：、基本要求： 掌握点缺陷；位错；面缺陷与体缺陷；缺陷的掌握点缺陷；位错；面缺陷与体缺陷；缺陷的扩散等。扩散等。 O返回完美晶体完美晶体组成晶体的所有原子或离子都排列在晶格中，没组成晶体的所有原子或离子都排列在晶格中，没有晶格空位，也没有间隙原子或离子。其特征：有晶格空位，也没有间隙原子或离子。其特征：1、晶格中的原子或离子都是化学分子式中的原子或离子，没、晶格中的原子或离子都是化学分子式中的原子或离子，没有外来的杂质；有外来的杂质；2、晶体

2、的原子之比符合化学计量比。、晶体的原子之比符合化学计量比。实际晶体：与理想晶体有一些差异。如景象）：实际晶体：与理想晶体有一些差异。如景象）：1、处于晶体表面的原子或离子与体内的差异；、处于晶体表面的原子或离子与体内的差异；2、晶体在形成时，常因一些部位同时成核生长，结果形成的、晶体在形成时，常因一些部位同时成核生长，结果形成的不是单晶而是许多细小晶粒按不规则排列组合起来的多晶体；不是单晶而是许多细小晶粒按不规则排列组合起来的多晶体；3、在外界因素的作用下，原子或离子脱离平衡位置如点缺、在外界因素的作用下，原子或离子脱离平衡位置如点缺陷和杂质原子的引入等。陷和杂质原子的引入等。 O返回1 有三

3、个点缺陷的规则堆积阵2 点和线缺陷3 被缺陷界面分开的畴界没有孪晶4 位错群5 相界O返回 晶体缺陷的存在，破坏了完美晶体的有序性，引起晶体内能U和熵S的增加。 按缺陷在空间的几何构型可将缺陷分为： 点缺陷缺陷的延伸范围是零维 线缺陷一维 面缺陷二维 体缺陷三维 每一类缺陷都会对晶体的性能产生很大影响，例如： 点缺陷影响晶体的电学、光学和机械性能； 线缺陷严重影响晶体的强度、电性能等。O返回 点缺陷是晶体中以空位、间隙原子、杂质原子点缺陷是晶体中以空位、间隙原子、杂质原子为中心，在一个或几个原子尺寸范围的微观区为中心，在一个或几个原子尺寸范围的微观区域内，晶格结构偏离严格周期性而形成的畸变域内

4、，晶格结构偏离严格周期性而形成的畸变区域。它是由晶体的热振动而产生。区域。它是由晶体的热振动而产生。 点缺陷是晶体中最简单、最常见或者说一定存点缺陷是晶体中最简单、最常见或者说一定存在的缺陷形式。在的缺陷形式。 点缺陷：在三维空间各方向上尺寸都很小，是点缺陷：在三维空间各方向上尺寸都很小，是在原子尺寸大小的晶体缺陷。在原子尺寸大小的晶体缺陷。O返回空位在晶格结点位置应有原子的地方空缺，这种缺陷称为“空位”。 间隙原子在晶格非结点位置，往往是晶格的间隙，出现了多余的原子。它们可能是同类原子，也可能是异类原子。 异类原子在一种类型的原子组成的晶格中，不同种类的原子替换原有的原子占有其应有的位置。一

5、、点缺陷的类型和形成能（一点缺陷的类型（一点缺陷的类型O返回（1肖脱基Schottky缺陷 特征：晶体中存在着晶格空位。 形成原因：这种空位是晶体内部格点上的原子或离子通过接力运动移到表面格点位置后在晶体内所留下的空位，如图4-1b。 定义：只形成空位不形成间隙原子构成新的晶面的晶体空位称为肖脱基缺陷。（二点缺陷的形成和形成能留意：1、负离子不能到间隙2、要求局部电中性O返回 （2费伦克尔Frenkel缺陷 特征：原子离开平衡位置进入间隙，形成等量的空位和间隙原子。 形成原因：如果晶体内部格点上的原子或离子移到晶格间隙位置形成间隙原子，同时在原来的格点位置上留下空位，于是晶体中将存在等浓度的晶

6、格空位和填隙原子，如图a。 定义：将空位-间隙原子对称为费仑克尔缺陷。 （3间隙原子缺陷(或称反肖脱基缺陷 ) 特征：它是晶体表面格点原子运动到晶体的间隙位置，如图c。形成填隙缺陷需要更大的能量，除小半径杂质原子外，一般不易单独形成此种缺陷。 小结：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，因此当温度不太高时，肖特基缺陷的数目要比弗仑克尔缺陷的数目大得多。O返回点缺陷类型示意图(a)Frenkel缺陷； (b) Schottky缺陷； (c)反Schottky缺陷 O返回定义：定义： 空位的形成能是在晶体内的格点上取出一个原空位的形成能是在晶体内的格点上取出一个原

7、子放到晶体表面所需要的能量。子放到晶体表面所需要的能量。讨论：讨论：（a结合能越大，熔点越高，则空位的形成能结合能越大，熔点越高，则空位的形成能越大。越大。（b一般化合物晶体中的点缺陷是空位，因为一般化合物晶体中的点缺陷是空位，因为形成间隙形成间隙 原子所需的能量比形成空位的高。原子所需的能量比形成空位的高。（c一般共价半径大的原子具有较大的空位形一般共价半径大的原子具有较大的空位形成能。成能。O返回 Kroger-Vink1960年前后提出了一套描写点缺陷的记号，并发展了应用质量作用定律等来处理晶格缺陷间关系的缺陷化学。以MO氧化物为例： 空位 （Vacancy） VM，VO 间隙原子（ I

8、nterstitial） Mi，Oi 错位原子 MO，OM 溶质原子外来原子LM，Li 自由电子及电子空穴 e,，h 带电荷的缺陷 VM,，VO 缺陷方程三原则： 质量守恒, 电荷平衡, 正负离子格点成比例增减。如： 肖特基缺陷生成：0VM,+ VO 弗仑克尔缺陷生成： 0VM,+ Mi O返回 定义：色心是一种非化学计量比引起的空位缺陷。 特征：该空位能够吸收可见光使原来透明的晶体出现颜色，因而称它们为色心,最简单的色心是F心(来自德语Farbe”,颜色)。 F心：是离子晶体中的一个负离子空位束缚一个电子构成的点缺陷。 形成过程：是碱卤晶体在相应的过量碱金属蒸汽中加热，例如：NaCl晶体在N

9、a蒸汽中加热后呈黄色；KCl晶体在K蒸汽中加热后呈紫色；LiF在Li蒸汽中加热后呈粉红色。二、色心O返回 V心：与F心相对的色心，又称空穴色心。是离子晶体的负电中心束缚一个带正电的“空穴所组成的点缺陷。 形成过程：当碱卤晶体在过量的卤素蒸汽中加热后，由于大量的卤素进入晶体，为保持电中性，在晶体中出现了正离子空位,形成负电中心。这种负电中心可以束缚一个带正电的“空穴所组成的体系称为V心。 V心和F心在结构上是碱卤晶体中两种最简单的缺陷。在有色心存在的晶体中，A、B两种元素的比例已偏离严格的化学计量比。所以色心也是一种非化学计量引起的缺陷。 F心的着色原理：在于加热过程中过量的碱金属原子进入晶心的

10、着色原理：在于加热过程中过量的碱金属原子进入晶体占据碱金属格点位置。晶体为保持电中性，会产生相应数体占据碱金属格点位置。晶体为保持电中性，会产生相应数目的负离子空位。同时，处于格点的碱金属原子被电离，失目的负离子空位。同时，处于格点的碱金属原子被电离，失去的电子被带正电的负离子空位所束缚，从而在空位附近形去的电子被带正电的负离子空位所束缚，从而在空位附近形成成F心，如图心，如图4-3，F心可以看成是束缚在负离子空位处的一种心可以看成是束缚在负离子空位处的一种“电子陷阱电子陷阱”。 O返回 实际晶体中存在某些微量杂质。杂质来源： 一方面是晶体生长过程中引入的，如O、N、C等，这些是实际晶体不可避

11、免的杂质缺陷，只能控制相对含量的大小； 另一方面是有目的地向晶体中掺入的一些微量杂质，例如在单晶硅中掺入微量的B、Pb、Ga、In、P、As等可以使晶体的导电性能发生很大变化。 当晶体存在杂质原子时，晶体的内能会增加，由于少量的杂质可以分布在数量很大的格点或间隙位置上，使晶体组态熵混合熵的变化也很大。因此温度T下，杂质原子的存在也可能使自由能降低。 (F U-T S)三、杂质原子O返回 当杂质原子取代基质原子占据规则的格点位置时，形成替位式杂质，如图a；若杂质原子占据间隙位置，形成间隙式杂质，如图b。O返回 对一定晶体，杂质原子是形成替位式杂质还是间隙式杂质，主要取决于杂质原子与基质原子几何尺

12、寸的的相对大小及其电负性。 （1杂质原子比基质原子小得多时，形成间隙式杂质。 因为替位式杂质占据格点位置后，会引起周围晶格畸变，畸变区域一般不大，畸变引起的内能增加也不大；若杂质占据间隙位置，由于间隙空间有限，由此引起的畸变区域比替位式大，因而使晶体的内能增加较大。 所以只有半径较小的杂质原子才能进入敞开型结构的间隙位置中。例如：金属晶体结构的密堆积形式决定了间隙空间的有限，这类晶体只有象H、C这样小的原子才能进入间隙位置。许多金属氧化物晶体中，只有象Li+这样的杂质离子才能形成间隙缺陷。即使这样，间隙杂质也还会引起明显的晶格结构的畸变。这种畸变以及基质原子和杂质原子之间的化学差异，通常会影响

13、杂质原子的溶解度。 讨论：O返回 （2替位式杂质在晶体中的溶解度也决定于原子的几何尺寸和化学因素。 如果杂质和基质具有相近的原子尺寸和电负性，可以有较大的溶解度。但也只有在二者化学性质相近的情况下，才能得到高的固溶度。 （3元素半导体、氧化物及化合物半导体晶体中的替位式杂质，通常引起并存的电子缺陷，从而明显的改变材料的导电性。 例如： Si晶体中含有五价P时，由于金刚石结构四面体键仅需4个电子，所以每个P多了一个电子； 如果Si晶体中含有三价In原子时，由于共价键中缺少一个电子而形成电子空位即空穴。 这种掺杂的Si晶体都因杂质原子的存在而是电导率有很大提高。O返回P多一个电子 In少一个电子-

14、电子空位 施主杂质n型杂质） 受主杂质p型杂质）补充：半导体中的杂质和缺陷能级族元素半导体中杂质主要是替位式杂质。O返回禁带宽度导带底价带顶O返回O返回注：施主杂质若与受主杂质浓度相当注：施主杂质若与受主杂质浓度相当不能提供载流子不能提供载流子 杂质的高度补偿杂质的高度补偿材料电学性能差，不能使用材料电学性能差，不能使用O返回 结构畸变：无论那种点缺陷的存在，都会使其附近的原子结构畸变：无论那种点缺陷的存在，都会使其附近的原子稍微偏离原结点位置才能平衡，即造成小区域的晶格畸变。稍微偏离原结点位置才能平衡，即造成小区域的晶格畸变。 点缺陷对材料性能的影响：点缺陷对材料性能的影响：（1提高材料的电

15、阻提高材料的电阻定向流动的电子在点缺陷处受到非定向流动的电子在点缺陷处受到非平衡力平衡力(圈套圈套)，增加了阻力，局部加速运动提高了局部温，增加了阻力，局部加速运动提高了局部温度度(发热发热)。 （2加快原子的扩散迁移加快原子的扩散迁移空位可作为原子运动的周转站。空位可作为原子运动的周转站。 （3形成其他晶体缺陷形成其他晶体缺陷过饱和的空位可集中形成内部的过饱和的空位可集中形成内部的空洞，集中一片的塌陷形成位错。空洞，集中一片的塌陷形成位错。 （4改变材料的力学性能改变材料的力学性能空位移动到位错处可造成刃位空位移动到位错处可造成刃位错的攀移，间隙原子和异类原子的存在会增加位错的运动错的攀移，

16、间隙原子和异类原子的存在会增加位错的运动阻力。会使强度提高，塑性下降。阻力。会使强度提高，塑性下降。O返回 线缺陷线缺陷晶体内部偏离周期性点阵结构的一维缺陷。晶体内部偏离周期性点阵结构的一维缺陷。 晶体中最重要的一种线缺陷是位错。位错在晶体的范性晶体中最重要的一种线缺陷是位错。位错在晶体的范性与强度、断裂、相变以及其他结构敏感性问题中起着重要作与强度、断裂、相变以及其他结构敏感性问题中起着重要作用。用。 位错位错在三维空间的一个方向上的尺寸很大在三维空间的一个方向上的尺寸很大( (晶粒数量级晶粒数量级) )，另外两个方向上的尺寸很小，另外两个方向上的尺寸很小( (原子尺寸大小原子尺寸大小) )

17、的晶体缺陷。的晶体缺陷。 一、位错的基本类型一、位错的基本类型 位错是晶体结构中的一种缺陷，也可以说是原子位错是晶体结构中的一种缺陷，也可以说是原子排列的一种特殊组态。位错最简单、最基本的类型是排列的一种特殊组态。位错最简单、最基本的类型是“刃位刃位错和错和“螺位错螺位错”。4-2 线缺陷位错Dislocation ）O返回 将晶体的上半部分向右移动一个原子间距，再按原子的结合方式连接起来(见b图)。除分界线附近的一管形区域例外，其他部分基本都是完好的晶体。在分界线的上方将多出半个原子面HEFG），这就是刃型位错。O返回 若将晶体的上半部分向后移动一个原子间距，再按原子的结合方式连接起来，同样

18、除分界线附近的一管形区域例外，其他部分基本也都是完好的晶体。而在分界线的区域形成一螺旋面，这就是螺型位错。 O返回1、是滑移区与未滑移区的分界线；2、位错线附近原子排列失去周期性；3、位错线附近原子受应力作用强，能量高；4、位错不是热运动的结果；5、位错线的几何形状可能很复杂，可能在体内形成闭合线，可能在晶体表面露头，不可能在体内中断。O返回 刃型位错的特点是位错线垂直于滑移矢量b； 螺型位错的特点是位错线平行于滑移矢量b。 滑移矢量b又称为伯格斯Burgers矢量 （简称伯氏矢量）， 它的模等于滑移方向上的平衡原子间距， 它的方向代表滑移方向。 位错的特点：O返回 确定方法：确定方法： 首先

19、在原子排列基本正常区域作一个包首先在原子排列基本正常区域作一个包含位错的回路，也称为柏氏回路，这个回路包含了含位错的回路，也称为柏氏回路，这个回路包含了位错发生的畸变。然后将同样大小的回路置于理想位错发生的畸变。然后将同样大小的回路置于理想晶体中，回路当然不可能封闭，需要一个额外的矢晶体中，回路当然不可能封闭，需要一个额外的矢量连接才能封闭，这个矢量就称为该位错的柏氏量连接才能封闭，这个矢量就称为该位错的柏氏(Burgers)矢量。矢量。 O返回 刃型位错刃型位错 柏氏矢量与位错线相互垂直。柏氏矢量与位错线相互垂直。(依方向关依方向关系可分正刃和负刃型位错系可分正刃和负刃型位错) 螺型位错螺型

20、位错 柏氏矢量与位错线相互平行。柏氏矢量与位错线相互平行。(依方向关依方向关系可分左螺和右螺型位错系可分左螺和右螺型位错) 混合位错混合位错 柏氏矢量与位错线的夹角非柏氏矢量与位错线的夹角非0或或90度。度。柏氏矢量守恒：柏氏矢量守恒：同一位错的柏氏矢量与柏氏回路的大小和走向无关。位错不可能终止于晶体的内部，只能到表面、晶界和其他位错，在位错网的交汇点，必然 O返回 混合型位错位错线与滑移矢量既不平行又不垂直，如右图。 E处位错线与滑移矢量平行，是纯螺型位错， F处位错线与滑移矢量垂直，是纯刃型位错。 其他位错线与滑移矢量既不平行又不垂直，属混合型位错。 混合位错的原子排列介于刃型位错和螺型位

21、错之间，可以分解为刃型位错和螺型位错 。O返回 晶体中的位错在有条件时总是要从高能位置转移到低能位置而发生运动。 1.位错的滑移 在图4-12中，对含有刃型位错的晶体加平行于伯氏矢量的切应力，位错线周围的原子只要移动很小的距离，位错线便从位置A移动到位置A。如果应力继续作用，位错线将继续向右运动，直至移出晶体所在表面形成台阶。显然，位错运动只需逐排克服原子间的结合力，因而使位错滑移所需要的临界切应力小得多，接近于实际测量值。滑移面：过位错线并和柏氏矢量平行的平面滑移面：过位错线并和柏氏矢量平行的平面( (晶面晶面) )是该位错的滑移面。是该位错的滑移面。位错面O返回 虽然位错滑移一个原子间距时

22、每个原子只移动很小的距离，但在位错扫过的区域积累起接近于b的相对位移。当位错达到晶体表面后，整个晶体滑移面移动一个伯氏矢量，在晶体表面产生高度为b的台阶，如图4-13。若有n个伯氏矢量相同的位错扫过，会在晶体表面产生nb高的台阶，形成显微镜下可以看到的滑移线。可见，位错的滑移运动造成了晶体的范性形变，宏观观察到的滑移面即是晶体中位错的滑移面，滑移方向即是位错伯氏矢量方向。O返回 攀移攀移刃型位错在垂直于滑移方向上的运动。刃型位错在垂直于滑移方向上的运动。 本质本质是多余半晶面的伸长或缩短；是空位或间隙原子是多余半晶面的伸长或缩短；是空位或间隙原子 的扩散过程。的扩散过程。 在图中，当位错刃部的

23、空位扩散离开多余的半原子面在图中，当位错刃部的空位扩散离开多余的半原子面实际是格点原子或间隙原子扩散到位错线附近时，多余实际是格点原子或间隙原子扩散到位错线附近时，多余半晶面伸长，位错向下攀移，称为负攀移；反之，若空位半晶面伸长，位错向下攀移，称为负攀移；反之，若空位扩散到位错线附近，半原子面缩短，位错向上攀移，称为扩散到位错线附近，半原子面缩短，位错向上攀移，称为正攀移。正攀移。2.位错的攀移负攀移多余半晶面位错线O返回 （a使位错发生攀移运动的力为攀移力，它包括两部分：使位错发生攀移运动的力为攀移力，它包括两部分： 化学攀移力化学攀移力不平衡空位浓度施给错位攀移的驱动力；不平衡空位浓度施给

24、错位攀移的驱动力； 弹性攀移力弹性攀移力垂直于多余半晶面，刃位错受到的力。垂直于多余半晶面，刃位错受到的力。 （b螺位错的伯氏矢量平行于位错线，没有多余的半晶面，螺位错的伯氏矢量平行于位错线，没有多余的半晶面，因而螺位错没有攀移运动。因而螺位错没有攀移运动。 （c因为位错线和柏氏矢量平行，所以螺型位错可以有多个因为位错线和柏氏矢量平行，所以螺型位错可以有多个滑移面，螺型位错无论在那个方向移动都是滑移。滑移面，螺型位错无论在那个方向移动都是滑移。 （d晶体两部分的相对移动量决定于柏氏矢量的大小和方向晶体两部分的相对移动量决定于柏氏矢量的大小和方向，与位错线的移动方向无关。，与位错线的移动方向无关

25、。 O返回景象：位错在晶体表面的露头抛光后的试样在侵蚀时，易侵蚀而出现侵蚀坑。特点：是坑为规则的多边型，且排列有一定规律。前提：只能在晶粒较大，位错较少时才有明显效果。 薄膜透射电镜观察将试样减薄到几十到数百个原子层(500nm以下)，利用透射电镜进行观察，可见到位错线。 O返回 （1位错是热力学上不稳定的线缺陷，而且具有一定的宽度。 （2半径比主晶格原子大的替位杂质倾向于在伸长变形区聚焦，而半径较小的则倾向于在压缩变形区聚焦。可见位错线类似于一根高能“管道”，它是晶体内空位的“源和“漏”。 （3位错向下攀移形成空位源，它向体内释放空位；位错向上攀移形成空位漏，它将聚集体内的空位。晶体在升降温

26、过程中，体内的平衡空位数或其它缺陷的浓度的变化也是通过位错攀移运动来实现。 （4在这根高能管道内及其附近，由于晶格畸变有较大的应力集中，在晶体内形成应力场，位错线附近原子的能量高于正常格点上原子的能量，所以管道内及其附近的原子容易被杂质原子替代，形成复杂的电荷中心，且易被腐蚀。 （5对于共价晶体，正常格点位置上的原子与近邻原子形成饱和共价键，而在位错线上的原子共价键是不饱和的，即存在所谓的“悬挂键”。悬挂键可以通过向晶体释放电子或从晶体中接受电子对晶体的电学性质产生影响。四. 位错与晶体性质的关系O返回 定义： 面缺陷为晶体内偏离周期性点阵结构的二维缺陷，主要有层错、小角晶界、晶粒间界、相界等

27、。 体缺陷为晶体内部偏离周期性点阵结构的三维缺陷，主要有包裹体、空洞、夹杂物，第二相团等。 一、层错 层错是在密排晶体中原子面的堆垛顺序出现反常所造成的面缺陷。前面讨论晶体的密堆积方式时得到： （1fcc晶体在平行于111面的原子排列顺序是ABCABCABC。 （2hcp晶体在平行于0001面的原子排列顺序是ABABAB。4-3 面缺陷与体缺陷O返回 若由力学因素如变形或热力学因素加热或冷却使堆垛顺序发生局部变化，形成如下几种新结构：（1外层错：插入一密排层，构成 ABCAB(A)CABC。（2内层错：抽去一密排层，构成 ABCABCBCABC。（3孪生：对称密排层，构成 ABCABCABCA

28、CBACBA的排列。O返回 这些堆错了的新结构，相当于在面心立方晶体中形成了薄层的hcp六角密堆晶体，也称为堆垛层错。 这些层错对晶体的影响，仅在于层错面两侧的晶体结构，相应于理想情况作了一个特定的非点阵相对平移，这种平移在密堆积结构中并不改变原子最近邻的关系，只产生次近邻的错排，而且几乎不产生畸变，所以是一种低能量的面缺陷。 除密堆积结构外，其它类型的晶体也可能出现层错，如：金刚石结构和闪锌矿结构的111面在外延生长过程中，将会出现层错P124，图4-15，Si晶体层错）。 O返回二、 固体从蒸汽、溶液或熔体中结晶出来时，只有在一定条件下，例如有籽晶存在时，才能形成单晶，而大多数固体属于多晶

29、体。多晶是由许多小晶粒组成。这些小晶粒本身可以近似看作单晶，且在多晶体内做杂乱排列。 多晶体中晶粒与晶粒的交界区域称为晶粒间界，它就是空间取向(或位向)不同的相邻晶粒之间的分界面。 二、晶粒间界或称晶界）O返回 晶粒间界的实验结构模型：（见124页图4-17） （1晶界区含有不属于任何晶粒的原子A； （2含有同属于两个晶粒的原子D； （3含有晶格受压缩的区域B； （4含有晶格疏松的区域C； （5有晶格基本不变的区域D。 晶界上的原子都处于畸变状态，具有较高的能量，而且具有非晶态特性： （1杂质原子倾向于在晶界上偏聚和析出； （2化学腐蚀或蚀刻现象也首先在晶界上发生； （3原子也较容易沿着结构较

30、疏松的晶粒间界扩散，并且在间界内容易产生新固相。 晶界对材料力学性质的影响： （1对共价键陶瓷，畸变了的晶界点阵排列使晶界能较高，导致剪切开裂，常出现沿晶界断裂。 （2对离子键陶瓷，往往具有穿晶为主的断裂特征，晶界有阻碍裂纹扩散的作用。O返回 （1当取向差小于10时，晶界称为小角晶界；最简单的小角晶界是对称倾斜晶界 。右图是简单立方结构晶体中界面为100面的倾斜晶界，相当于一系列平行的、伯氏矢量在100方向上的刃型位错线。 （2当取向大于10时晶界称为大角度晶界。 （3实际的多晶材料一般都是大角度晶界，但晶粒内部的亚晶界则是小角晶界。 晶界结构和性质与相邻晶粒的取向差有关：（4相邻位错间的距离

31、D与倾角和伯氏矢量的模b的关系：bbD)2sin(2实验：用XRD可测定取向夹角，用金相蚀坑法测定位错露头间距。bO返回 特征：特征： （1晶界两侧的晶粒位晶界两侧的晶粒位向差很小，可看成是一向差很小，可看成是一系列刃位错排列成墙。系列刃位错排列成墙。 （2晶界中位错排列愈晶界中位错排列愈密，则位向差愈大。密，则位向差愈大。 （3小角晶界具有阻止原子扩散的作用。 实验表明：沿着垂直于一个小角晶界中的位错扩散，要比平行于位错的扩散慢的多。并且通过晶界的扩散，能控制晶体中某些沉淀反应的速率。O返回 特征：特征： 晶界两侧的晶粒位向差较晶界两侧的晶粒位向差较大，不能用位错模型。大，不能用位错模型。

32、关于大角度晶界的结构说关于大角度晶界的结构说法不一，晶界可视为法不一，晶界可视为23(5)个原子的过渡层，这个原子的过渡层，这部分的原子排列尽管有其部分的原子排列尽管有其规律，但排列复杂，暂以规律，但排列复杂，暂以相对无序来理解。相对无序来理解。O返回 1、相：在物理化学中已有了明确的解释。它是指成分相、相：在物理化学中已有了明确的解释。它是指成分相同、同、(晶体晶体)结构相同、有界面和其它部分分开的物质的结构相同、有界面和其它部分分开的物质的均匀组成部分。均匀组成部分。 2、相界面：两种不同相的分界面。液体的表面是液相和、相界面：两种不同相的分界面。液体的表面是液相和气相的分界面；晶体的表面

33、是晶体和气相气相的分界面；晶体的表面是晶体和气相(或液相或液相)的分的分界面；两个不同的固相之间的分界面也是相界面，在我界面；两个不同的固相之间的分界面也是相界面，在我们的课程中主要是指后者。们的课程中主要是指后者。 3、相界面的主要特性：相界面的结构和晶界有一定的共、相界面的主要特性：相界面的结构和晶界有一定的共性，也有一些明显的差别。性，也有一些明显的差别。 （1非共格界面类似大角度晶界，非共格界面类似大角度晶界， （2完全共格是困难的，共格面两边微少的差别可以用完全共格是困难的，共格面两边微少的差别可以用晶格的畸变来调整，界面两边差别不十分大时，将可以晶格的畸变来调整，界面两边差别不十分

34、大时，将可以补充一定的位错来协调，组成半共格界面。补充一定的位错来协调，组成半共格界面。 无论那种情况，界面都存在自己的界面能，都将对材料无论那种情况，界面都存在自己的界面能，都将对材料的结构形貌的结构形貌(组织组织)带来明显的影响。带来明显的影响。O返回 定义：晶界面上的原子相对正常晶体内部的原子定义：晶界面上的原子相对正常晶体内部的原子而言，均处于较高的能量状态，其能量差即为界而言，均处于较高的能量状态，其能量差即为界面能。面能。 界面能与结构的关系：界面能与结构的关系： O返回 在材料的研究中，发现少量杂质或合金元素在在材料的研究中，发现少量杂质或合金元素在晶体内部的分布也是不均匀的，它

35、们常偏聚于晶体内部的分布也是不均匀的，它们常偏聚于晶界，称这种现象为晶界内吸附。晶界，称这种现象为晶界内吸附。 产生的原因可参见位错与点缺陷的作用，一般产生的原因可参见位错与点缺陷的作用，一般杂质原子与晶体的尺寸或性质差别愈大，这种杂质原子与晶体的尺寸或性质差别愈大，这种偏聚愈严重。偏聚愈严重。 杂质原子在晶界的偏聚对晶体的性能产生重要杂质原子在晶界的偏聚对晶体的性能产生重要的影响，具体的影响可参考材料性能部分文献的影响，具体的影响可参考材料性能部分文献。 O返回 包裹体是晶体生长过程中界面所捕获的夹杂物。它是一种严重包裹体是晶体生长过程中界面所捕获的夹杂物。它是一种严重影响晶体性质的体缺陷。

36、影响晶体性质的体缺陷。 产生的原因：产生的原因： 1、可能是晶体原料中某一过量组分形成的固体颗粒，、可能是晶体原料中某一过量组分形成的固体颗粒， 2、也可能是晶体生产过程中坩埚材料带入的杂质微粒。、也可能是晶体生产过程中坩埚材料带入的杂质微粒。 对材料性质的影响：对材料性质的影响： 1、如造成光散射，或吸收强光引起发热从而影响晶体的强度。、如造成光散射，或吸收强光引起发热从而影响晶体的强度。 2、由于包裹体的热膨胀系数一般与晶体不同，在单晶体生长的、由于包裹体的热膨胀系数一般与晶体不同，在单晶体生长的冷却过程中会产生体内应力，造成大量位错的形成。冷却过程中会产生体内应力，造成大量位错的形成。四

37、、体缺陷O返回 晶体中原子扩散的实质：晶体中原子扩散的实质： 晶体中的扩散是原子在晶体中的布朗运动。这种过程是晶体中的扩散是原子在晶体中的布朗运动。这种过程是随机的，但若存在浓度梯度，这种过程是定向的，其结果是随机的，但若存在浓度梯度，这种过程是定向的，其结果是导致原子从高浓度向低浓度的定向扩散流动。晶体的许多性导致原子从高浓度向低浓度的定向扩散流动。晶体的许多性质及物理现象都与扩散过程有关。质及物理现象都与扩散过程有关。 晶体中的扩散类型：晶体中的扩散类型： 一类是外来杂质原子在晶体中的扩散，称为杂质原子扩散；一类是外来杂质原子在晶体中的扩散，称为杂质原子扩散； 一类是基质原子在基体中的扩散

38、，成为自扩散。一类是基质原子在基体中的扩散，成为自扩散。 扩散的前提条件：扩散的前提条件： 扩散是通过点缺陷的运动来实现的，因此晶体中点缺陷的扩散是通过点缺陷的运动来实现的，因此晶体中点缺陷的存在是实现扩散的前提条件。存在是实现扩散的前提条件。 4-4 晶体中的扩散O返回 1. 费克Fick方程 实验： 资料：两块不同的材料， 条件： （1适当的退火温度； （2退火时间足够长。 景象： 由于扩散，晶体内部便会发生物质的流动，结果导致浓度梯度降低，变成成分均匀的材料，物质的净流也就停止。O返回 扩散可以分为稳态和非稳态考虑时间因素）。 在稳态扩散中，扩散流通量J 是不随时间变化的； 在非稳态扩散

39、中，扩散流通量J是随时间变化的。 实验表明：如果晶体中某种扩散原子的浓度为C(x,y,z,t)，则在稳态扩散中，扩散流通量J正比于扩散原子的浓度梯度 ，这个关系称为费克第一定律，数学表达式为: 式中： 负号表示扩散原子是从高浓度区域向低浓度区域扩散； D称为扩散系数，其值与材料性质及温度密切相关； C是体积浓度，即单位体积中扩散原子的重量或扩散原子的个数。 J是扩散流通量，单位是kg/m2s或个/m2s。CCDJ（425）扩散方程的推导：O返回在一维情况下，考虑两个垂直x轴、相距dx的单位面。通过平面1的通流量为通过平面2的通流量为xCDJ111xCDJ222dxxCCC12（41）稳态扩散模

40、型：O返回 两式相减，并除以dx得到： 是在单位时间内、第一平面和第二平面之间单位体积内扩散物质总量的变化，由扩散的连续性，它等于这两个平面间浓度变化率的负值 ，于是有 dxxCDxxCDdxxJJJ)(1112)(xCDxxJxJ)(tC)(xCDxtC（42）（4-26）O返回 上式便是在一维情况下的费克第二定律。如果该式中的扩散系数D与向x无关，费克第二定律又可表示为： （4-27） 考虑三维空间的扩散，在各向异性的介质中，如果三个方向的扩散系数不同，则上式可以写成： （4-28）22xCDtCzCDyCDxCDtCzyx222O返回 （4-26式也可作如下推导：由连续性方程设D是常数，

41、即与位置、浓度无关） CDCDJtC2)(一维情况下xCDtC2O返回 仅讨论在一维情况下，且D与C无关时，稳态和非稳态的两种解。（1稳态扩散 如果样品的一边保持比较高的气压，而另一边的气压比较低，经过足够长的时间后，扩散可以达到稳定状态，即单位时间内，从高压方向进入样品的气体量等于从低压方向离开的量，并不随时间改变。O返回这时扩散进入样品内部各点的气体浓度也将和时间无关，即式4-27费克第二定律中并得到 （4-30） 如果厚度为d 的晶体薄片与x轴垂直,边界条件成为： x0处， C=C0; xd处， C=Cd;0tC022xCO返回且 ，解4-30式得到 （4-31） 这便是在稳态情况下晶体

42、薄片中任意点处的浓度。 （2非稳态扩散：常采用两种边界条件。 （a恒定源扩散 具有一定数量的原子Q，由晶体表面向内部扩散，在t = 0 时有： x=0，C0 = Q x0，C(x) = 00CCd00)(CxdCCxCdO返回当t 0 时，由晶体表面扩散到内部的原子总数为Q，即 。在此边界条件下解式4-27得 （4-32） （b恒定表面浓度的扩散在扩散过程中，晶体表面的扩散原子浓度C0 保持不变，其边界条件可以表示成 J据此边界条件，解式4-27得 0 x0)(QdxxCDtxeDtQtxC42),(0)0 ,(00), 0(000 xCtxCtCtx，O返回 式中 是积分变量，如果令 ，得 （4-10）其中： 式中： 称为余误差函数(又称高斯误差函数），它在扩散、热传导等问题中常用到。 x224)(Dtxx04)(02),(dxeDtCtxCDtxxdeCtxCDtx2022),()2(DtxerfDtxerfCdeCtxCDtx2121),(020022200022dedeCDtx202de（4-33）O返回Zerf(Z)Zerf(Z)001.20.91030.10.11251.50.96610.50.52052.00.99531.00.84272.40.9993由表可知，当 时，C(