固体物理-12-02晶体的线缺陷

1、固体物理Solid State Physics,第十二章 晶体中的缺陷与扩散,12.2 线缺陷,缺陷的含义：通常把晶体结构中和理想的点阵结构发生偏差的区域称为晶体的结构缺陷。,上节复习：,12.1 零维点缺陷,尺度仅仅局限在1个或若干个原子级大小的范围内的缺陷就称为点缺陷。,肖脱基（Schottky）缺陷,费伦克尔（Frenkel）缺陷,杂质缺陷（ impurity defect ）,色心（color center),杂质质点（foreign particle）,空位（vacancy）,间隙质点（interstitial particle）,位置、成分,形成原因,热缺陷,（a）弗仑克尔缺陷的形

2、成,（b）单质中的肖特基缺陷的形成 （只有空位产生）,特点 :空位与间隙质点成对出现； 晶体密度不变。,对于离子晶体，为保持电中性，正离子空位和负离子空位成对产生，晶体体积增大,图 热缺陷产生示意图,点缺陷对材料性能的影响,原因： 无论那种点缺陷的存在，都会使其附近的原子稍微偏离原结点位置才能平衡，即造成小区域的晶格畸变。,效果:,4、改变材料的力学性能,1、引起晶体导电性能的变化,2、填隙原子和肖脱基缺陷可引起晶体密度的变化。,3、形成其他晶体缺陷,5、引起晶体光学性能的变化。,位错概念的提出 用于解释晶体的塑性变形。,位错是原子的一种特殊组态，是一种具有特殊结构的晶格缺陷，也称为线缺陷。,

3、12.2 线缺陷（line defects ，dislocation ）,Geoffrey Taylor爵士1934年提出位错的概念, 位错的基本类型,1. 刃型位错 设有一简单立方结构的晶体，在切应力的作用下发生局部滑移，发生局部滑移后晶体内在垂直方向出现了一个多余的半原子面，显然在晶格内产生了缺陷，这就是位错，这种位错在晶体中有一个刀刃状的多余半原子面，所以称为刃型位错。,正刃型位错,位错线,通常称晶体上半部多出原子面的位错为正刃型位错，用符号“”表示，反之为负刃型位错，用“”表示。,负刃型位错,2. 螺型位错,晶体在外加切应力作用下，沿ABCD面滑移，图中EF线为已滑移区与未滑移区的分界

4、处。由于位错线周围的一组原子面形成了一个连续的螺旋形坡面，故称为螺位错。此种晶格缺陷被称为螺型位错。 螺旋位错分为左旋和右旋。,刃型位错,螺型位错,螺位错形成示意图,ABCD滑移面 EF线已滑移区与未滑移区的分界处(位错线)。 由于位错线周围的一组原子面形成了一个连续的螺旋形坡面，故称为螺位错。,特征：位错线与原子滑移方向相平行；位错线周围原子的配置是螺旋状的。,螺型位错示意图,小圆点代表位错，旋转箭头表示螺旋的旋转方向,小圆点代表位错，旋转箭头表示螺旋的旋转方向,以大拇指代表螺旋面前进方向，其他四指代表螺旋面的旋转方向，符合右手法则的称右旋螺旋位错，符合左手法则的称左旋螺旋位错。,螺型位错示

5、意图, 混合位错,如果局部滑移从晶体的一角开始，然后逐渐扩大滑移范围，滑移区和未滑移区的交界为曲线AB在A处，位错线和滑移方向平行，是纯螺型位错；在B处，位错线和滑方向垂直，是纯刃型位错。其他AB上的各点，曲线和滑移方向既不垂直又不平行，原子排列介于螺型和刃型位错之间，所以称为混合型位错。,混合位错示意图,混合位错示意图, 柏氏矢量,先确定位错的方向（一般规定位错线垂直纸面时，由纸面向外为正），按右手法则做柏氏回路，右手大拇指指位错正方向，回路方向按右手螺旋方向确定。从实际晶体中任一原子M 出发，避开位错附近的严重畸变区作一闭合回路 MNOPQ，回路每一步连结相邻原子。按同样方法在完整晶体中做

6、同样回路，步数，方向与上述回路一致，这时终点 Q 和起点 M 不重合，由终点Q 到起点M 引一矢量QM 即为柏氏矢量b。 柏氏矢量与起点的选择无关，也与路径无关。,（1）柏氏矢量的确定方法,刃型位错柏氏矢量的确定 (a) 有位错的晶体 (b) 完整晶体,M,N,O,P,Q,M,N,O,P,Q,柏氏矢量,螺型位错柏氏矢量的确定 (a) 有位错的晶体 (b) 完整晶体,柏氏矢量,（2）柏氏矢量的物理意义及特征,柏氏矢量是描述位错实质的重要物理量。反映出柏氏回路包含的位错所引起点阵畸变的总累计。通常将柏氏矢量称为位错强度，它也表示出晶体滑移时原子移动的大小和方向。,柏氏矢量具有守恒性。 推论：一根不

7、可分叉的任何形状的位错只有一个柏氏矢量。,M,N,O,P,Q,柏氏矢量,柏氏矢量,若 bt 则为螺型位错。 若 bt 为刃型位错。,利用柏氏矢量b与位错线t的关系，可判定位错类型。,位错的运动,在一定的切应力的作用下，位错在滑移面上受到垂至于位错线的作用力。当此力足够大，足以克服位错运动时受到的阻力时，位错便可以沿着滑移面移动，这种沿着滑移面移动的位错运动称为滑移。,位错的运动有两种基本形式：滑移和攀移。,刃型位错的位错线还可以沿着垂直于滑移面的方向移动，刃型位错的这种运动称为攀移。,1、位错的滑移,刃型位错：对含刃型位错的晶体加切应力，切应力方向平行于柏氏矢量，位错周围原子只要移动很小距离，

8、就使位错由位置(a)移动到位置(b)。,(a) (b) 刃型位错的滑移,(a) (b) (c) 刃型位错的滑移,当位错运动到晶体表面时，整个上半部晶体相对下半部移动了一个柏氏矢量晶体表面产生了高度为b的台阶。,滑移面,滑移台阶,刃型位错的柏氏矢量b与位错线t互相垂直，故滑移面为b与t 决定的平面，它是唯一确定的。刃型位错移动的方向与b方向一致，和位错线垂直。,位错滑移的比喻,刃型位错滑移特点：,a） 位错逐排依次前进，实现两原子面的相对滑移； b） 滑移量=柏氏矢量的模； c） 外力 / b，位错线 ，位错线运动方向/ d） 一定时，正、负位错运动方向相反，但最终滑移效果相同； e) 滑移面唯

9、一。,螺型位错：,沿滑移面运动时，在切应力作用下，螺型位错使晶体右半部沿滑移面上下相对低移动了一个沿原子间距。这种位移随着螺型位错向左移动而逐渐扩展到晶体左半部分的原子列。,螺型位错的滑移,螺型位错的移动方向与b垂直。此外因螺型位错b 与t平行，故通过位错线并包含b的随所有晶面都可能成为它的滑移面。当螺型位错在原滑移面运动受阻时，可转移到与之相交的另一个滑移面上去，这样的过程叫交叉滑移，简称交滑移。,螺型位错的滑移,螺位错滑移特点：,a） 位错逐排依次滑移，实现原子面的滑移； b） 滑移量=柏氏矢量b的模； c）外力 / b，位错线/ ，位错线运动方向 ； d） 外力一定时，左、右螺位错位错运

10、动方向相反，但最终滑移效果相同； e） 滑移面不唯一。, 位错的攀移刃型位错还可以在垂直滑移面的方向上运动即发生攀移。攀移的实质是多余半原子面的伸长或缩短。,刃型位错的攀移 (a)正攀移 (b)原始位置 (c)负攀移,刃位错攀移示意图,（a）正攀移（半原子面缩短）,(b)未攀移,（c）负攀移（半原子面伸长）,刃位错的运动,螺位错的运动,混合位错的运动,位错的滑移特征,（1）可以通过柏氏矢量和位错线的关系来判断位错特征。bt时为刃型位错，bt为螺型位错，对于混合型位错，b和t的角度在0和90。（2）位错的滑移面包含柏氏矢量和位错线。（3）对于一根位错线而言，柏氏矢量是固定不变的。（4）位错线不能终止