第四章晶体的缺陷.ppt

1、第四章 晶体的缺陷,掌握缺陷的基本类型；了解其对性能的影响。,基本要求：,前面内容以晶体具有完美的周期性结构为基础，实际的晶体总是存在缺陷-晶体中原子的排列偏离完整晶体的周期性排列的区域(晶体的不完整性)。,缺陷是晶体理论中最重要的内容之一。晶体的生长、性能以及加工等无一不与缺陷紧密相关。,缺陷是晶体局部原子排列的破坏。按其几何形状分为四类。,1 晶体缺陷的基本类型,缺陷的分类,点缺陷：在三维方向上尺寸都很小（远小于晶体或晶粒的线度），又称零维缺陷。典型代表有空位、间隙原子、杂质原子等等。 线缺陷：在两个方向尺寸很小，一个方向尺寸较大（可以和晶体或晶粒线度相比拟），又称为一维缺陷。位错是典型的

2、线缺陷，是一种非常重要的缺陷，是本章重点讨论对象。 面缺陷：在一个方向尺寸很小，另两个方向尺寸较大，又称二维缺陷。如晶粒间界、晶体表面、层错等。 体缺陷：如果在三维方向上尺度都较大，那么这种缺陷就叫体缺陷，又称三维缺陷。如沉淀相、空洞等。,点缺陷的类型,热缺陷：在没有外来原子时，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正常的平衡位置，造成缺陷。,杂质缺陷：由于杂质进入晶体而产生的缺陷。杂质原子又叫掺杂原子，它不仅破坏了原子有规则的排列，而且还引起了杂质原子周围的周期势场的改变，从而形成缺陷。,非化学计量结构缺陷：一些易变价的化合物，在外界条件的影响下，造成组

3、成上的非化学计量化。从而造成的空位、间隙原子以及电荷转移引起了晶体内势场的畸变，使晶体的完整性遭到破坏。,点缺陷,（产生原因）,弗仑克尔缺陷,金属和离子晶体中都会由于热运动的能量涨落，使原子或离子脱离格点进入晶体中的间隙位置，从而同时出现空位和填隙原子（离子）对。,肖特基缺陷,热缺陷,弗伦克尔缺陷,点缺陷,肖特基缺陷,晶体中原子由于热涨落获得足够能量，离开格点位置，迁移至晶体表面，于是在晶体中出现空位。,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。温度不太高时，肖特基缺陷要比弗仑克尔缺陷的数目大得多。,自填隙原子：纯净晶体的表面原子离开表面进入晶格间隙位置，称为自填

4、隙原子。此时只有填隙原子，没有空位。,杂质缺陷,替位杂质：落在晶体的正常格点位置的杂质原子。,填隙杂质：落在晶体格点之间间隙位置的杂质原子。,替位杂质缺陷,填隙杂质缺陷,点缺陷,F心：将碱卤晶体放在碱金属的蒸气中加热，然后骤冷到室温，原来透明的晶体就出现了颜色，氯化钠变成淡黄色，氯化钾变成紫色，氟化锂变成粉红色等等。这些晶体的吸收光谱在可见光区有一个钟形的吸收带，称为F带，产生这个吸收带的吸收中心称为F心。 -负离子空位束缚一个电子的组合,色心,能吸收光的点缺陷（使晶体呈现一定颜色）。,其他：、N心、 M心等,点缺陷,V心：- -,点缺陷的运动,间隙原子在运动时，有可能落入空位中，而使两者消失

5、。,晶体中的点缺陷在一定的温度下有一定的平衡浓度，处于动态平衡状态下，但这些点缺陷并非固定不动，而是处于不断的运动过程中。例如:,空位周围的原子，由于热振动能量的起伏，有可能获得足够的能量而跳入空位，并占据这个平衡位置。这时在这个原子的原来位置上，就形成一个空位。这个过程就是空位的迁移。,同样间隙原子也可能由一个间隙位置迁移到另一个间隙位置。,点缺陷,线缺陷的特点是在一维方向的尺寸较长，另外二维方向上尺寸很小，从宏观看缺陷是线状的。从微观角度看，是管状的。位错是晶体中普遍存在的线缺陷。,位错,位错对晶体的生长、扩散、相变、塑性变形、断裂等许多物理、化学性质及力学性质都有很大影响。因此位错理论是

6、材料科学基础中一个重要内容。,刃型位错,位错线垂直于滑移的方向。刃型位错的构成就象是用刀劈柴那样，把晶面挤到一组平行晶面之间，这个半截晶面的下端宛如刀刃。,位错,位错线：晶体中已滑移区和未滑移区之间的分界线,螺位错,位错线平行于滑移的方向。当晶体中存在螺旋位错时，原来的一族平行晶面就变成为象是单个晶面所组成的螺旋阶梯。,位错,理想晶体原子面堆积,含有刃型位错晶体原子面堆积,含有螺型位错晶体原子面堆积,位错,面缺陷,在一个方向尺寸很小，另两个方向尺寸较大，又称二维缺陷。如晶粒间界、晶体表面、层错等。,多晶体结构示意图,多晶体：由多个小晶体（晶粒）组成的晶体结构。 每个晶粒内部，晶格位向是均匀一致

7、的，而各个晶粒之间，彼此的位向却不相同。,晶界：晶粒与晶粒之间的分界面叫“晶粒间界”，或简称“晶界”。为了适应两晶粒间不同晶格位向的过渡，在晶界处的原子排列总是不规则的。,晶界原子排列示意图,亚晶界位错结构示意图,晶界：不同位向晶粒与晶粒之 间的界面（过渡区）叫“晶粒间界”简称晶界。,亚晶界（小角晶界） ：每个晶粒内的晶格位向在不同区域上有微小差别的界面（过渡区），由一系列刃型位错组成。,面缺陷,堆垛层错,金属晶体常采取立方密积结构形式-原子球以三层为一循环的密堆积结构，原子面的排列形式是ABCABCABCABC,若某一晶面（比如A）在晶体生长时丢失，原子面的排列形式成为：ABCABCBCAB

8、CABC,B晶面便是错位的面缺陷,这一类整个晶面发生错位的缺陷称为堆垛层错,面缺陷, 缺陷对金属晶体性质的影响 ？,缺陷存在的比例只是一个很小的量(通常情况）。例如20时，Cu的空位浓度为3.810-17,晶体缺陷引起晶格局部弹性变形称晶格畸变。,点缺陷引起的三种晶格畸变,杂质粒子缺陷,空位缺陷,间隙粒子缺陷,点缺陷对晶体性质的影响,晶格畸变引起晶体结构的变化，对晶体性质如机械强度、导电性、耐腐蚀性和化学反应性能都有较大影响。,引入杂质可改变半导体的能带结构，所以杂质对半导体材料电学性能的影响十分显著。,掺杂对电学性质的影响,掺杂对力学性质的影响,合金,离子晶体中点缺陷的特点是带有一定的电荷。在没有外电场时，这些作无规布朗运动的缺陷不产生宏观电流。但是当外电场存在时，由于库仑力的影响，带电缺陷产生一定的沿外电场方向的定向运动，从而引起宏观电流。,无外电场时的势能曲线,有外电场时的势能曲线,离子晶体的导电性,离子晶体的导电性强烈依赖于温度,位错对力学性能的影响,范性形变：金属受到的应力超过弹性限度时会发生永久形变。 范性形变的发生是由于晶体某族晶面发生了滑移 临界切应力：对于一定的晶体材料，存在产生范性形变的最小的切应力tc 金属晶体：实际值105106 N/m2；理论值109 N/m2（认为金属晶体是理想的，在滑移过程中，晶