无机材料科学基础-3-1-缺陷类型与点缺陷课件(PPT 31页)

1、 缺陷的含义：晶体点阵结构中周期性势场的畸变称为晶体的结构缺陷。 缺陷对材料性能的影响 理想晶体：质点严格按照空间点阵排列。 实际晶体：存在着各种各样的结构的不完整性第二章 晶体结构缺陷第1页，共31页。本章内容： 晶体结构缺陷的类型 点缺陷 固溶体 非化学计量氧化物 线缺陷 位错 面缺陷第2页，共31页。第一节 晶体结构缺陷的类型几何形态：点缺陷、线缺陷、面缺陷形成原因：热缺陷、杂质缺陷、非化学计量缺陷 分类方式：第3页，共31页。（一）按缺陷的几何形态来划分 点缺陷 线缺陷 面缺陷 体缺陷：第二相粒子团、空位团第4页，共31页。固溶体1、点缺陷（零维缺陷） 缺陷尺寸处于原子大小的数量级上，

2、即三维方向上缺陷的尺寸都很小。根据其对理想晶体偏离的几何位置及成分来分：空 位填隙原子杂质原子第5页，共31页。2、线缺陷（一维缺陷） 指在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列所产生的缺陷，即缺陷尺寸在一维方向较长，另外二维方向上很短。如各种位错（dislocation）。刃位错螺位错第6页，共31页。3、面缺陷（二维缺陷） 在二维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列而产生的缺陷，即缺陷尺寸在二维方向上延伸，在第三维方向上很小。如晶界、表面、堆积层错、镶嵌结构等。第7页，共31页。面缺陷 晶界第8页，共31页。 面缺陷堆积层错面心立方晶体中：抽出型层错(a)、插入型层错(b)第9页

3、，共31页。 面缺陷共格晶面面心立方晶体中111面反映孪晶第10页，共31页。（二）按缺陷产生的原因划分 热缺陷 杂质缺陷 非化学计量结构缺陷 其它：电荷缺陷，辐照缺陷第11页，共31页。 定义：当晶体的温度高于绝对0K时，由于晶格内原子热振动，使一部分能量较大的原子离开平衡位置造成的缺陷，也称为本征缺陷。 弗仑克尔缺陷（Frenkel defect）类型： 肖特基缺陷（Schottky defect） 1. 热缺陷 热缺陷浓度与温度的关系：温度升高时，热缺陷浓度增加。第12页，共31页。弗仑克尔缺陷：（Frenkel defect） 特点：空位、间隙原子成对出现，晶体体积不变 定义：能量足够

4、大的质点离开正常格点后挤入晶格间隙位置，形成间隙质点，而原来位置上形成空位第13页，共31页。 肖特基缺陷：（Shcottky defect） 特点：原子跃迁至表面，体内留下空位；晶体体积增加；正负离子空位成比例、成对出现 定义：正常格点上的质点获得能量后离开平衡位置迁移到新表面位置，而在晶体表面形成新的一层，同时在晶体内部正常格点上留下空位。第14页，共31页。2. 杂质缺陷 定义: 是由外加杂质原子进入晶体而产生的缺陷，亦称为组成缺陷、非本征缺陷。杂质原子的含量一般少于0.1。 类型：置换式杂质原子和间隙式杂质原子 特征: 杂质缺陷的浓度与温度无关。只决定于溶解度杂质缺陷对材料性能的影响第

5、15页，共31页。3. 非化学计量结构缺陷 定义：指组成上偏离化学计量而形成的缺陷。 特点：其化学组成随周围气氛的性质及其分压大小而变化，它是产生n型和p型半导体的基础，为一种半导体材料。 如：n 型半导体第16页，共31页。4. 其它: 电荷缺陷、辐照缺陷 能带理论：非金属固体 电子导电： n 型半导体 空穴导电： p 型半导体 非化学计量缺陷也称电荷缺陷第17页，共31页。 点缺陷的符号表征：Kroger-Vink符号 缺陷反应方程式的写法 热缺陷浓度的计算第二节 点缺陷第18页，共31页。（一）点缺陷的符号表征：Kroger-Vink符号 1. 空位（vacancy） 2. 间隙原子（i

6、nterstitial） 3. 错放位置（错位质点） 4. 置换原子（溶质原子) 5. 自由电子或电子空穴 6. 带电缺陷 7. 缔合中心第19页，共31页。（二）缺陷反应方程式的写法对于杂质缺陷而言，缺陷反应方程式的一般式：第20页，共31页。1. 写缺陷反应方程式应遵循的原则（1）位置关系（2）质量平衡（3）电中性 第21页，共31页。（1）位置关系注意： 在化合物MaXb中，无论是否存在缺陷，其正负离子位置数（即格点数）的之比始终是一个常数a/b，即： 位置增值、表面位置第22页，共31页。（2）质量平衡注：VM不存在质量，下标M只表示缺陷位置 与化学反应方程式相同，缺陷反应方程式两边的

7、质量应该相等。（3）电中性（电荷守恒） 电中性要求缺陷反应方程式两边的有效电荷数必须相等。第23页，共31页。 2. 缺陷反应实例 例：1）写出CaF2加入NaF中的缺陷反应方程式2）写出CaO加入ZrO2中的缺陷反应方程式3）写出Al2O3加入Cr2O3中的缺陷反应方程式（1）杂质（组成）缺陷反应方程式第24页，共31页。基本规律：高价正离子占据低价正离子位置时，该位置带有正电荷，为了保持电中性，会产生正离子空位或间隙负离子。低价正离子占据高价正离子位置时，该位置带有负电荷，为了保持电中性，会产生负离子空位或间隙正离子。第25页，共31页。（2）热缺陷反应方程式例：2）AgBr形成弗仑克尔缺陷1）MgO形成肖特基缺陷 一般规律： 当晶体中剩余空隙比较小，如NaCl型结构，容易形成肖特基缺陷；当晶体中剩余空隙比较大时，如萤石CaF2型结构等，容易产生弗仑克尔缺陷。第26页，共31页。 在一定温度下，热缺陷是处在不断地产生和消失的过程中，当单位时间产生和复合而消失的数目相等时，系统达到平衡，热缺陷的数目保持不变。 根据质量作用定律，可以利用化学平衡方法计算热缺陷的浓度。（三）热缺陷浓度的计算第27页，共31页。1、弗仑克尔缺陷浓度的计算 化学平衡方法计算热缺陷浓度第28页，共31页。2、肖特基缺陷浓度的计算第29页，共31页。 热缺陷的浓度与缺陷形成自由焓及温度的关系为：第