晶体理论简述

1、晶体理论简述 自然界中物质的存在有三种状态：气态、液态、固态。自然界中物质的存在有三种状态：气态、液态、固态。 固体又可分为两种存在形式：晶体和非晶体。固体又可分为两种存在形式：晶体和非晶体。1. 晶体结构的特征与晶格理论晶体结构的特征与晶格理论一、一、 晶体结构特征和类型晶体结构特征和类型 非晶体：内部微粒在空间作无规则排列构成的固非晶体：内部微粒在空间作无规则排列构成的固体。体。 晶体：晶体： 内部微粒内部微粒(原子、分子或离子原子、分子或离子)在空在空间按一定规律周期性排列构成的固体。间按一定规律周期性排列构成的固体。晶体晶体非晶体非晶体 晶体结构示意图晶体结构示意图 按周期性规律重复排

2、列按周期性规律重复排列非非晶晶体体结结构构示示意意图图 将晶体内的微粒视为几何上的点将晶体内的微粒视为几何上的点, 这些点所这些点所组成的几何构型称为晶格。而微粒所占有的位置组成的几何构型称为晶格。而微粒所占有的位置称为晶格结点。称为晶格结点。 晶胞：晶体的最小重复单元，一般说来，晶胞：晶体的最小重复单元，一般说来，晶胞都是平行六面体。晶胞都是平行六面体。 晶体：通过晶胞在空间平移无隙地堆砌晶体：通过晶胞在空间平移无隙地堆砌而成。而成。晶体结构：具有物质内容的空间点阵结构。 空间点阵及晶胞的不同取法空间点阵及晶胞的不同取法 由晶格常数由晶格常数a，b，c，表表示，示， a，b，c 为为六面体边

3、长，六面体边长， ， 分别是分别是bc ca , ab 所形成的所形成的三个夹角。三个夹角。晶胞的两个要素：晶胞的两个要素： (1)晶胞的大小与形状：晶胞的大小与形状：(2) 晶胞的内容：粒子的种类，数目及它在晶胞中晶胞的内容：粒子的种类，数目及它在晶胞中的相对位置。的相对位置。 按晶格常数的差异将晶体分成七种晶系。按晶格常数的差异将晶体分成七种晶系。 按带心型式分类，将七大晶系分为按带心型式分类，将七大晶系分为14种型式种型式。例如，立方晶系分为简单立方、体心立方和面。例如，立方晶系分为简单立方、体心立方和面心立方三种型式。心立方三种型式。晶格的晶格的14种型式种型式简单立方简单立方体心立方

4、体心立方面心立方面心立方简单四角简单四角体心四方体心四方 简单六角简单六角简单菱形简单菱形简单正交简单正交底心正交底心正交体心正交体心正交面心正交面心正交简单单斜简单单斜底心单斜底心单斜简单三斜简单三斜 单晶：单个晶体构成的物体。在单晶体中所单晶：单个晶体构成的物体。在单晶体中所有晶胞均呈相同的位向。有晶胞均呈相同的位向。 多晶：由许多晶体多晶：由许多晶体(晶粒晶粒)构成的物体。或者说构成的物体。或者说多晶体是由许多取向不同而随机排布的小晶体组多晶体是由许多取向不同而随机排布的小晶体组成。成。2. 晶面和密勒指数晶面和密勒指数 在晶体物质中，原子在三维空间中作有规律的排列。因此在晶体中存在着一

5、系列的原子列或原子平面，晶体中原子组成的平面叫晶面晶面，原子列表示的方向称为晶向晶向。晶体中不同的晶面和不同的晶向上原子的排列方式和密度不同，构成了晶体的各向异性。这对分析有关晶体的生长、变形、相变以及性能等方面的问题时都是非常重要的。因此研究晶体中不同晶向晶面上原子的分布状态是十分必要的。为了便于表示各种晶向和晶面，需要确定一种统一的标号，称为晶向指数晶向指数和晶面指数晶面指数，国际上通用的是密密勒指数勒指数。（1)1)晶面晶面平面点阵所处的平面，可以利用三个互质的整数来描述空平面点阵所处的平面，可以利用三个互质的整数来描述空间一组互相平行平面的方向间一组互相平行平面的方向（）密勒指数、晶面

6、指数（）密勒指数、晶面指数密勒指数是指平面和三个晶轴相交截数密勒指数是指平面和三个晶轴相交截数的倒数的互质比，代表一族相互平行的的倒数的互质比，代表一族相互平行的平面点阵。平面点阵。晶面指标晶面指标(h k l)是简单的互质整数比，在晶是简单的互质整数比，在晶体中有些晶面具有共同的特点，其上原子排体中有些晶面具有共同的特点，其上原子排列和分布规律是完全相同的，晶面间距也相列和分布规律是完全相同的，晶面间距也相同，唯一不同的是晶面在空间的位向，这样同，唯一不同的是晶面在空间的位向，这样的一组等同晶面称为一个晶面族，用符号的一组等同晶面称为一个晶面族，用符号hkl表示。表示。 ABCDEFGH-（

7、3）晶向指数是按以下几个步骤确定的：1以晶胞的某一阵点为原点，三个基矢为坐标轴，并以点阵基矢的长度作为三个坐标的单位长度；2过原点作一直线OP，使其平行于待标定的晶向AB，这一直线必定会通过某些阵点；3在直线OP上选取距原点O最近的一个阵点P，确定P点的坐标值；4将此坐标值乘以最小公倍数 化为最小整数h、k、l，加上 方括号，hkl 即为AB晶向的 晶向指数。 如果h、k、l中某一数为负值， 则将负号标注在该数的上方。 在立方晶系中，具有相同指数的晶向和晶面必定是相垂直的，在立方晶系中，具有相同指数的晶向和晶面必定是相垂直的，即即hkl 垂直于（垂直于（hkl）。例如：）。例如：100 垂直于

8、（垂直于（100），），110 垂直于（垂直于（110），），111 垂直于（垂直于（111）等等。但是，此关系不适）等等。但是，此关系不适用于其它晶系。用于其它晶系。(1) 离子晶体离子晶体3.晶体类型晶体类型(2) 原子晶体原子晶体(5) 混合型晶体混合型晶体(3) 分子晶体分子晶体(4) 金属晶体金属晶体硅的晶体结构：面心立方型的金刚石结构 每个原子最邻近的四个键合原子，是位于该原子为中心的正四面体角落上。 硅单晶（100）方向的球极平面投影图 晶体缺陷：晶体中某些区域粒子的排列不象理想晶体缺陷：晶体中某些区域粒子的排列不象理想晶体那样规则和完整，这种偏离完整性的区域，晶体那样规则和完整

9、，这种偏离完整性的区域，或者说晶体中一切偏离理想的晶格结构称做晶体或者说晶体中一切偏离理想的晶格结构称做晶体缺陷。缺陷。二、晶体缺陷二、晶体缺陷 、按照缺陷的形成和结构分类：、按照缺陷的形成和结构分类： 本征缺陷本征缺陷(固有缺陷固有缺陷)：指不是由外来杂质：指不是由外来杂质原子形成，而是由于晶体结构本身偏离晶格结原子形成，而是由于晶体结构本身偏离晶格结构造成的缺陷。构造成的缺陷。 杂质缺陷：指杂质原子进入基质晶体中杂质缺陷：指杂质原子进入基质晶体中所形成的缺陷。所形成的缺陷。按照缺陷的几何特征分类：按照缺陷的几何特征分类： 点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷。点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷。 （

10、）点缺陷：晶格结点粒子发生局部错（）点缺陷：晶格结点粒子发生局部错乱的现象。乱的现象。 按引起点缺陷的粒子不同，可分为：按引起点缺陷的粒子不同，可分为：错位粒子、间隙粒子、替位粒子和空位。错位粒子、间隙粒子、替位粒子和空位。点缺陷与材料的电学性质、光学性质、点缺陷与材料的电学性质、光学性质、材料的高温动力学过程等有关。材料的高温动力学过程等有关。替位粒子缺陷替位粒子缺陷间隙粒子缺陷间隙粒子缺陷空位缺陷空位缺陷错位粒子缺陷错位粒子缺陷本征缺陷本征缺陷杂质缺陷杂质缺陷 线缺陷：晶体中某些区域发生一列或若线缺陷：晶体中某些区域发生一列或若干列粒子有规律的错排现象称为线缺陷。干列粒子有规律的错排现象称

11、为线缺陷。线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性密线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性密切相关切相关。 线缺陷有两种基本类型：线缺陷有两种基本类型： 刃型位错刃型位错 螺型位错螺型位错 （）线（）线 缺缺 陷陷 理想晶体理想晶体原子面堆积原子面堆积含有含有刃型位错刃型位错晶体原子面堆积晶体原子面堆积含有螺型位错含有螺型位错晶体原子面堆晶体原子面堆积积 （）面（）面 缺缺 陷陷 面面 缺缺 陷：由点缺陷或面缺陷造成晶格中可能缺少陷：由点缺陷或面缺陷造成晶格中可能缺少整个一层的粒子整个一层的粒子,形成了层错现象形成了层错现象;也可以看成是整个一层也可以看成是整个一层的粒子所构成的晶面错开形成的缺陷。

12、的粒子所构成的晶面错开形成的缺陷。面缺陷的取向及分布与材料的断裂韧性有关。面缺陷的取向及分布与材料的断裂韧性有关。 按照两侧晶体间的几何关系，面缺陷可分为：按照两侧晶体间的几何关系，面缺陷可分为： 平移界面平移界面(堆垛层错堆垛层错) 孪晶界面孪晶界面 位错界面位错界面(晶粒边界晶粒边界)（）（） 体体 缺缺 陷陷 体体 缺缺 陷：陷： 由点缺陷或面缺陷造成在完由点缺陷或面缺陷造成在完整的晶格中可能存在着空洞或夹杂有包裹物整的晶格中可能存在着空洞或夹杂有包裹物等等,使晶体内部的空间晶格结构整体上出现了使晶体内部的空间晶格结构整体上出现了一定形式的缺陷。一定形式的缺陷。、按缺陷产生的原因分类、按

13、缺陷产生的原因分类1. 热缺陷热缺陷2. 杂质缺陷杂质缺陷3. 非化学计量缺陷非化学计量缺陷4. 其它原因，如电荷缺陷，辐照缺陷等其它原因，如电荷缺陷，辐照缺陷等（1）热缺陷）热缺陷 定义定义: 热缺陷是指由热起伏的原因所产生的热缺陷是指由热起伏的原因所产生的空位或间隙质点（原子或离子）。空位或间隙质点（原子或离子）。 类型类型: 弗仑克尔缺陷和肖特基缺陷弗仑克尔缺陷和肖特基缺陷 热缺陷浓度与温度的关系热缺陷浓度与温度的关系: 温度升高时，热温度升高时，热缺陷浓度增加缺陷浓度增加热缺陷产生示意图热缺陷产生示意图（a）弗仑克尔缺陷的形成（空位与间）弗仑克尔缺陷的形成（空位与间隙质点成对出现）隙质

14、点成对出现）（b）单质中的肖特基缺陷的形成）单质中的肖特基缺陷的形成（只有空位）（只有空位）（2）杂质缺陷）杂质缺陷定义定义:亦称为组成缺陷，是由外加杂质的引亦称为组成缺陷，是由外加杂质的引入所产生的缺陷。入所产生的缺陷。特征特征:如果杂质的含量在固溶体的溶解度范如果杂质的含量在固溶体的溶解度范围内，则杂质缺陷的浓度与温度无关。围内，则杂质缺陷的浓度与温度无关。（3）非化学计量缺陷）非化学计量缺陷定义定义:指组成上偏离化学中的定比定律所形指组成上偏离化学中的定比定律所形成的缺陷。它是由基质晶体与介质中的成的缺陷。它是由基质晶体与介质中的某些组分发生交换而产生。某些组分发生交换而产生。特点特点:

15、其化学组成随周围气氛的性质及其分其化学组成随周围气氛的性质及其分压大小而变化。压大小而变化。（4）其它缺陷，如电荷缺陷，辐）其它缺陷，如电荷缺陷，辐照缺陷等照缺陷等三、晶体生长理论简介 从宏观角度看，晶体生长过程是晶体 环境相(蒸气、溶液、熔体)界面向环境相中不断推移的过程，也就是由包含组成晶体单元的母相从低秩序相向高度有序晶相的转变 。 从微观角度来看，晶体生长过程可以看作一个“基元”过程，所谓“基元”是指结晶过程中最基本的结构单元，也叫成核。从广义上说，“基元”可以是原子、分子、也可以是具有一定几何构型的原子(分子)聚集体 。所谓的“基元”过程包括以下主要步骤 ： n(1) 基元的形成：在一定的生长条件下，环境相中物质相互作用，动态地形成不同结构形式的基元，这些基元不停地运动并相互转化，随时产生或消失。n(2) 基元在生长界面的吸附：由于对流，热力学无规则运动或原子间吸引力，基元运动到界面上并被吸附。n(3) 基元在界面的运动：基元由于热力学的驱动，在界面上迁移运动。n(4) 基元在界面上结晶或脱附：在界面上依附的基元，经过一定的运动，可能在界面某一适当的位置结晶并长入固相