晶体结构缺陷的类型

第二章晶体结构缺陷

缺陷的含义：通常把晶体点阵结构中周期性势场的畸变称为晶体的结构缺陷。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。研究缺陷的意义：由于缺陷的存在，才使晶体表现出各种各样的性质，使材料加工、使用过程中的各种性能得以有效控制和改变，使材料性能的改善和复合材料的制备得以实现。因此，了解缺陷的形成及其运动规律，对材料工艺过程的控制，对材料性能的改善，对于新型材料的设计、研究与开发具有重要意义。

缺陷对材料性能的影响举例:

材料的强化，如钢——是铁中渗碳

陶瓷材料的增韧

半导体掺杂本章主要内容：§2.1晶体结构缺陷的类型§2.2点缺陷§2.3线缺陷§2.4面缺陷§2.5固溶体§2.6非化学计量化合物掌握缺陷的基本概念、分类方法；掌握缺陷的类型、含义及其特点；熟练书写点缺陷的缺陷反应方程式、化学平衡方法计算热缺陷的浓度；了解缺陷在材料性能的改善、新型材料的设计、研究与开发中的意义。本章要求掌握的主要内容：2.1晶体结构缺陷的类型

分类方式：几何形态：点缺陷、线缺陷、面缺陷等形成原因：热缺陷、杂质缺陷、非化学计量缺陷等一、按缺陷的几何形态分类

本征缺陷杂质缺陷点缺陷零维缺陷线缺陷一维缺陷位错面缺陷二维缺陷小角度晶界、大角度晶界挛晶界面堆垛层错体缺陷三维缺陷包藏杂质沉淀空洞1.点缺陷（零维缺陷）PointDefect

缺陷尺寸处于原子大小的数量级上，即三维方向上缺陷的尺寸都很小。包括：空位（vacancy）

间隙质点（interstitialparticle）

错位原子或离子

外来原子或离子（杂质质点）（foreignparticle）

双空位等复合体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。NowWhatDoYouSee?VacancyInterstitial•Vacancies:-vacantatomicsitesinastructure.•Self-Interstitials:-"extra"atomspositionedbetweenatomicsites.PointDefectsCommonRareTwooutcomesifimpurity(B)addedtohost(A):•SolidsolutionofBinA(i.e.,randomdist.ofpointdefects)ORSubstitutionalalloy(e.g.,CuinNi)Interstitialalloy(e.g.,CinFe)ImpuritiesIn

Solids8•Impuritiesmustalsosatisfychargebalance•Ex:NaCl•Substitutionalcationimpurity•SubstitutionalanionimpurityinitialgeometryCa2+impurityresultinggeometryCa2+Na+Na+Ca2+cation

vacancyImpuritiesinCeramics2.线缺陷（一维缺陷）位错(dislocation)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），如图所示。线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性密切相关。刃型位错GH

EF刃型位错示意图：(a)立体模型;(b)平面图

晶体局部滑移造成的刃型位错螺型位错CBAD(b)

螺型位错示意图:（a）立体模型；（b）平面图ABCD(a)螺型位错示意图3.面缺陷

面缺陷又称为二维缺陷，是指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。面缺陷的取向及分布与材料的断裂韧性有关。

面缺陷－晶界

晶界示意图

亚晶界示意图

晶界:晶界是两相邻晶粒间的过渡界面。由于相邻晶粒间彼此位向各不相同，故晶界处的原子排列与晶内不同，它们因同时受到相邻两侧晶粒不同位向的综合影响，而做无规则排列或近似于两者取向的折衷位置的排列，这就形成了晶体中的重要的面缺陷。

亚晶界:实验表明，在实际金属的一个晶粒内部晶格位向也并非一致，而是存在一些位向略有差异的小晶块（位向差一般不超过2°)。这些小晶块称为亚结构。亚结构之间的界面称为亚晶界。面缺陷－堆积层错

面心立方晶体中的抽出型层错(a)和插入型层错(b)

面缺陷－共格晶面

面心立方晶体中{111}面反映孪晶热缺陷杂质缺陷二按缺陷产生的原因分类非化学计量缺陷晶体缺陷电荷缺陷辐照缺陷1.热缺陷

类型:弗仑克尔缺陷（Frenkeldefect）和肖特基缺陷（Schottkydefect）定义:热缺陷亦称为本征缺陷，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）。热缺陷浓度与温度的关系:温度升高时，热缺陷浓度增加TE热起伏(涨落)E原子

>E平均

原子脱离其平衡位置在原来位置上产生一个空位热缺陷产生示意图

（a）单质中弗仑克尔缺陷的形成（空位与间隙质点成对出现）（b）单质中的肖特基缺陷的形成②

表面位置(间隙小/结构紧凑)①

间隙位置(结构空隙大)Frenkel

缺陷MX:Schottky

缺陷2.杂质缺陷特征: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。杂质缺陷对材料性能的影响定义:亦称为组成缺陷，是由外加杂质的引入所产生的缺陷。基质原子杂质原子基质原子杂质原子取代式

间隙式

能量效应体积效应体积效应3.