浅谈晶体缺陷

1、浅谈晶体缺陷摘 要：晶体缺陷成就了性能的多样性。晶体缺陷对晶体生长、晶体的力学性能、电学、磁学和光学性能等均有着极大影响，在生产上和科研中都非常重要，是固体物理、固体化学、材料科学等领域的重要基础内容。研究晶体缺陷因此具有了尤其重要的意义。针对晶体缺陷的概念、理论研究过程及进展、晶体缺陷与晶体性能的关系、关于晶体缺陷一些重要概念的理解，进行了文献查阅和资料整理，并结合个人看法，形成论文一篇。关键词：晶体缺陷、概念描述、分类方法、理论研究、性能影响、概念区分一、 晶体缺陷的概念在理想完整晶体中，原子按一定的次序严格地处在空间有规则的、周期性的格点上。但在实际的晶体中，由于原子（分子或离子）的热运

2、动、晶体形成条件、冷热加工过程及其它辐射、杂志等因素的影响，原子的排列不可能那样完整和规则，往往存在偏离了理想晶体结构的区域。我们把实际晶体中偏离理想完整点阵的部位或结构称为晶体缺陷（defects of crystals）。它的存在破坏了晶体的完美性和对称性。二、晶体缺陷的分类（一）按缺陷的几何形态分类1.点缺陷（又称零维缺陷）：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。固体材料中最基本和最重要的晶体缺陷是点缺陷，包括空位（vacancy）、间隙原子（interstitial particle）、异类原子（foreign particle）等本征缺陷和杂质缺陷。2.线缺陷

3、（又称一维缺陷、位错）：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。 3.面缺陷（又称二维缺陷）：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。4.体缺陷（又称三维缺陷）：晶体中在三维方向上相对尺度比较大的缺陷，和基质晶体已经不属于同一物相，是异相缺陷。（二）按缺陷产生的原因分类 1.热缺陷（又称本征缺陷）:由热起伏的原因所产生的空位或间隙质点（原子或离子）。包括弗兰克尔缺陷和肖脱基缺陷。温度升高时，热缺陷浓度增加。2.杂质缺陷（又称组成缺陷）：由外加杂质的引入所产生的缺

4、陷。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。3.非化学计量缺陷 :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某些组分发生交换而产生，其化学组成随周围气氛的性质及其分压大小而变化。三、晶体缺陷理论的提出与发展晶体缺陷的早期研究主要来源于对固体物某些性质的研究,并间接地了解晶体的缺陷。人们根据不同的固体性质提出了各种各样的实际晶体模型和缺陷模型。1914年Darwin在研究晶体x射线衍射强度时,提出了图象不十分明确的嵌镶结构；1921年A.A.griffith在研究固体断裂强度时提出了一个所谓的griffith裂缝模型；1923年，G.Massing

5、和M.Polanyi在研究晶体弹性时,提出Biegeleitang“拱型门洞”模型；1928年，U.Dehlinger提出了“Verhakuny”模型等等。1926年弗伦克耳为了解释Ax离子晶体导电的实验事实,提出一个“弗兰克耳缺陷”模型。稍后,瓦格纳和肖脱基在研究晶体的电导率时，发现电导率与化学反应活性之间有密切关系,于是提出了 “肖脱基缺陷”模型。弗伦克耳、瓦格纳和肖脱基认为晶体在0K时是完善无缺的,所有离子均处于正常位置上；当温度高于0K时,由于热激发的作用,最终总会使某些格点上的离子离开了正常位置,或者强挤入间隙位置,或者激发到表面,从而形成点缺陷：空位和间隙子。他们的点缺陷观点及其理

6、论是基于当时已经相当成熟的分子运动论、化学热力学和统计力学的理论上,加上实验结果的支持,所以广泛地被人们所接受并沿用至今。弗伦克耳、瓦格纳和肖脱基也被公认为缺陷化学研究的创始人。同时在1926年，弗兰克尔发现理论晶体模型刚性切变强度与实测临界切应力的巨大差异（24个数量级）。1934年，泰勒、波朗依、奥罗万几乎同时提出位错的概念。1939年，柏格斯提出用柏氏矢量表征位错。1947年，柯垂耳提出溶质原子与位错的交互作用。1950年，弗兰克和瑞德同时提出位错增殖机制。之后，用TEM直接观察到了晶体中的位错。位错理论也逐渐完善并被广为接受。四、晶体缺陷对性能的影响（一）点缺陷对材料性能的影响点缺陷主

7、要影响晶体的物理性质，如比容、比热容、电阻率等。1. 比容（单位质量的物质所占有的容积）/密度（物质单位体积的质量）:为了在晶体内部产生一个空位，需将该处的原子移到晶体表面上的新原子位置，导致晶体体积增大，即随着空位的增多，比容增加,密度降低。2比热容（单位质量物体改变单位温度时的吸收或释放的内能）:由于形成点缺陷需向晶体提供附加的能量（空位生成焓），因而引起附加比热容。3电阻率（某种材料制成的长1米、横截面积是1平方毫米的在常温下（20时）导线的电阻）:金属的电阻来源于离子对传导电子的散射。在完整晶体中，电子基本上是在均匀电场中运动，而在有缺陷的晶体中，在缺陷区点阵的周期性被破坏，电场急剧变

8、化，因而对电子产生强烈散射，导致晶体的电阻率增大。4.强度、硬度：点缺陷的出现，使周围的原子发生靠拢或撑开，造成晶格畸变，使材料的强度、硬度和电阻率增加。在一般情形下，点缺陷对金属力学性能的影响较小，它只是通过和位错交互作用，阻碍位错运动而使晶体强化。金属中，点缺陷越多,它的强度、硬度越高。6.辐射硬化：在高能粒子辐照的情形下，由于形成大量的点缺陷和挤塞子，会引起晶体显著硬化和脆化，这种现象称为辐照硬化。 7.其他：点缺陷还影响其他物理性质，如扩散系数、内耗、介电常数等。在碱金属的卤化物晶体中，由于杂质或过多的金属离子等点缺陷对可见光的选择性吸收，会使晶体呈现色彩，这种点缺陷称为色心。（二）线

9、缺陷对材料性能的影响位错是一种重要的晶体缺陷，他对金属的塑性变形，强度与断裂有很重要的作用。1.力学性能（1）塑性变形（材料在外力作用下产生而在外力去除后不能恢复的那部分变形）：其他条件不变的前提下，位错密度越低，塑性越好。塑性成形的形成离不开位错的运动。（2）强度（金属材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力）:位错密度越高，强度越高。位错运动越受阻，强度越高。实际材料在发生塑性变形时，位错的运动是比较复杂的，位错之间相互反应、位错受到阻碍不断塞积、材料中的溶质原子、第二相等都会阻碍位错运动，从而使材料出现加工硬化。因此，要想增加材料的强度就要通过诸如细化晶粒、有序化合金、第二相强化、固溶强

10、化等手段阻碍位错，使金属的强度增加。（3）硬度：位错密度越低，硬度越低。2.半导体中位错的电性质（1）一定的施主和受主作用：Si、Ge中的60o刃型位错存在有一串悬挂键, 可以接受电子而成为一串负电中心, 起受主作用，也可以失去电子而成为一串正电中心, 起施主作用。这些受主或施主串形成的能级实际上组成一个一维的很窄的能带。（2）使能带发生变化：由于刃型位错周围存在有张应变和压应变, 则棱位错能带将发生禁带宽度变窄和变宽。（3）散射载流子的中心：位错所造成的晶格畸变是散射载流子的中心, 将严重散射载流子, 影响迁移率。在位错密度108/cm2时, 这种散射作用可忽略。（4）起复合中心作用：位错在

11、半导体中形成的都是深能级, 起着复合中心的作用，将促进载流子的复合。（5）促进杂质的沉积：位错应力场与杂质的相互作用, 使得杂质优先沿位错线沉积; 特别是在Si中溶解度小、扩散快的重金属杂质 (Cu、Fe、Au等), 更容易沉积在位错线上。这就将形成大量的深能级复合中心, 甚至引起导电通道。（三）面缺陷对材料性能的影响面缺陷在晶体形核、生长、扩散等过程中均发挥了不可替代的作用，对金属的物理性能、化学性能和力学性能都有着重要影响1. 促进晶粒长大与晶界平直化：面缺陷的晶界处点阵畸变大，存在晶界能，晶粒长大与晶界平直化使晶界面积减小，总能量降低。这两个过程通过原子扩散进行，随温度升高与保温时间增长

12、，面缺陷的存在有利于这两过程的进行。2. 影响位错运动：面缺陷原子排列不规则，常温下晶界对位错运动起阻碍作用，塑性变形抗力提高，晶界有较高的强度和硬度。（晶粒越细，材料的强度越高，这就是细晶强化。）而高温下刚好相反，高温下晶界又粘滞性，使相邻晶粒产生相对滑动。3. 影响扩散速度：面缺陷处原子偏离平衡位置，具有较高的动能，晶界处也有较多缺陷，故晶界处原子的扩散速度比晶内快。4. 利于固态相变形核：固态相变中，晶界能量较高，且原子活动能力较大，新相易于在晶界处优先形核，原始晶粒越细，晶界越多，新相形核率越大。5易被氧化和腐蚀：由于成分偏析和内吸附现象，晶界富集杂质原子情况下，晶界熔点低，加热过程中

13、，温度过高引起晶界熔化与氧化，导致过热现象。此外，由于晶界处能量较高，原子处于不稳定状态及晶界富集杂质原子的缘故，晶界腐蚀速度较快。五、关于缺陷需要区分的几个概念1. 本征缺陷与非本征缺陷的区别根据统计热力学，处于热平衡状态的晶体内部总存在着一定数量的点缺陷，这类点缺陷也成为本征缺陷。由于本征缺陷的存在条件极为苛刻。如果引入杂质形成各种类型的固溶体、改变晶体的化学配比形成非化学计量化合物或辐照等则会得到非本征缺陷。金属冷变形级及淬火形成的非平衡空位也属于非本征缺陷。本征缺陷是研究的理想状态，在它的基础上，我们给出了非本征缺陷的定义。但是在真实的晶体中非本征缺陷更为普遍和常见，由于非本征缺陷引起

14、的物质性能的变化也更有研究价值。两种缺陷分别对应两种扩散方式。以本征缺陷为媒介发生的扩散称为本征扩散。晶态化合物只有在晶体很纯而且温度很高时才会发生本征扩散，在多数情况下观察到的是非本征缺陷控制的非本征扩散。非本征扩散指扩散受外界因素，如杂质离子的电价和浓度等控制的非本征因素影响，即结构中本征热缺陷提供的空位浓度远小于杂质空位浓度的扩散。2.刃型位错与螺形位错的区别位错有两种基本类型：位错线与滑移方向垂直，称刃位错，也称棱位错；位错线与滑移方向平行，则称螺旋位错。刃位错恰似在滑移面一侧的晶格中额外多了半个插入的原子面，半原子面在位错线处终止。螺旋位错在相对滑移的两部分晶格间产生一个台阶，但此台

15、阶到位错线处即告终止，整个面网并未完全错断，致使原来相互平行的一组面网连成了恰似由单个面网所构成的螺旋面。刃型位错分为正刃型位错和负刃型位错，其位错线垂直于晶体滑移方向和位错运动方向，即晶体滑移方向平行于位错运动方向。螺型位错分为左螺型位错和右螺型位错，其位错线平行于晶体滑移方向，垂直于位错运动方向，即晶体滑移方向垂直于位错运动方向。当位错线与滑移方向既不平行也不垂直时，对应的位错为混合位错，可分解为刃型分量和螺型分量。3全位错与不全位错的关系全位错是柏氏矢量模等于同晶向上原子间距的模的位错。不全位错柏氏矢量的模小于同晶向上原子间距的位错。在晶体结构中同时存在着全位错和不全位错，且不全位错类型

16、偏多。全位错可看成多个不全位错合成的结果，即全位错可分解成多个不全位错（前提是符合柏氏矢量必须连接晶体的一个原子平衡位置到另一个平衡位置的结构条件和能量越低，位错越稳定的能量条件）。4.肖克莱不全位错与弗兰克不全位错的区别由于原子运动导致局部错排，错排区与完整晶格区的边界线即为肖克莱不全位错；在完整晶体中局部抽出或插入一层原子形成弗兰克不全位错。其中，肖克莱不全位错可为刃型、螺型或混合型位错，可以滑移，不能攀移；弗兰克不全位错只能是螺型位错，可以攀移，不能滑移。5. 晶体缺陷与扩散的关系由于热运动而导致原子（或分子）在介质中迁移的现象称为扩散。扩散是固体中质量传输的唯一途径。晶体中的点、线、面

17、缺陷都影响扩散。常见扩散机制主要包括间隙机制、空位机制，这些机制几乎都离不开点缺陷的存在。而位错可近似认为加速扩散的“管道”。其影响在扩散物质浓度较低时更为显著。位错和空位都可促进置换扩散，但间隙溶质原子落入位错中心或空位中心会减小局部畸变，降低体系自由能，间隙原子要脱离这些晶体缺陷发生扩散所需的能量就会增加，这也就意味着这些晶体曲线阻碍了间隙扩散。面缺陷处原子偏离平衡位置，具有较高的动能，晶界处也有较多缺陷，故晶界处原子的扩散速度比晶内快。6. 线缺陷与滑移和孪生的关系滑移和孪生是材料塑性变形的主要方式。滑移是晶体的一部分相对另一部分沿着晶面发生的平移滑动，滑移后在晶体表面留下滑移台阶，很多

18、原子平面的滑移形成滑移带，很多滑移带集合起来就成为可见的变形。滑移是不均匀的，它集中在某些晶面上，而相邻两条滑移线之间的晶体并未滑移。滑移又可分别单滑移、多滑移和交滑移。实际上晶体的滑移是通过位错运动实现的。晶体滑移时，并不是滑移面上全部原子的同时移动，而是只有位错线中心附近的少数原子移动很小的距离。当一个位错移到晶体表面是，便会在表面上留下一个原子间距的滑移台阶，其大小等于柏氏矢量。如果大量的位错滑过晶体，就会在晶体表面形成滑移线。因此，可将位错线看成是晶体中已滑移区域和未滑移区域的分界。其中交滑移的滑移面不受限制，必须是纯螺型位错。孪生变形是指在切应力作用下，晶体的一部分沿一定晶面和晶向相

19、对于另一部分作均匀切变所产生的变形。孪生时，每层晶面的位错是借一个不全位错的移动造成的。每层晶面的位移量与该面距孪晶面的距离成正比。综上可知，塑性变形离不开位错的运动。7. 面缺陷与晶界的关系面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。晶界的定义是相邻晶粒之间的界面。晶体的面缺陷包括两类，第一类是晶体的外表面，第二类是晶体的内界面，其中内界面包括晶界、亚晶界、孪晶界、相界和堆垛层错。所以晶界是面缺陷的一种。根据相邻晶界位相差的大小，可把晶界分为小角晶界（位向差小于10）和大角晶界两类。小角晶界包括对称倾侧晶界和扭转晶界等，这些小角晶界的旋转轴和界面之间可以保持任意的取向关系，具有由刃型和螺型位错组成的更复杂的结构。六、结语缺陷有其存在的必要性和合理性。晶体缺陷是普遍存在的，很难找到毫无缺陷的晶体。缺陷是不完美的，它破坏了晶体结构的完美性和对称性；缺陷是很重要的，它们的存在赋予了物质丰富多样的性能和应用。其实，不仅对于晶体，对于生活和学习的各个方面，我们都应该接受缺陷，学会分析和运用缺陷带来的意义和价值。分类既是为了条理清晰，有所区分，也是为了有所侧重，强调不同的要素。比如，弗兰克尔和肖脱基缺