晶体结构缺陷-第9讲
晶体材料基础---第九讲 晶体生长方法(1)
G = -RTln(+1) 溶液生长的关键：控制溶液的过饱和度，使溶液达到过饱和 状态。 使溶液达到过饱和的途径有：
籽晶的培养：配置过饱和溶液，放置在烘箱中，过几天就可 以得到自发成核的小晶粒。
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1、降温法
基本原理：利用物质较大的正溶解度温度系数，在晶体生长
过程中逐渐降低温度，使析出的溶质不断在籽晶上生长。 适合于溶解度与其温度系数都较大的物质 ( 物质的溶解度温 度系数最好不低于1.5g/1000g 溶液.oC)。 合适的起始温度为60度左右。降温区间以15-20oC为宜。 40℃时，一些物质的溶解度及其温度系数
亚稳区大小可用过饱和度（或过冷度）来估计。 亚稳区的大小既与结晶物质的本性有关，也容易受外界条 件的影响，如搅拌、振动、温度、杂质等。 不同物质溶液的亚稳区差别相当大。 过饱和度的表示方式： 浓度驱动力: c = c-c* 过饱和比: s = c/c* 过饱和度 或相对过饱和度 = c /c* = s -1 ——结晶过程的驱动力
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一、溶液和溶解度 1、溶液和溶液浓度
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
溶液：
由两种或两种以上物质所组成的均匀混合体系称为溶液。
由溶质和溶剂组成。
材料科学基础三晶体结构缺陷PPT课件
解：以C正a离C子l2为基准K，C缺l陷反C应a方K程式V为：K 2C阴l离C子l 填隙
CaCl2
KCl
Ca
K
ClCl
Cli
以负C离a子C为l基2准，缺KC陷l反应C方a程i式 为：2V阳K离子空2位ClCl
CaCl2
2 KCl
Ca
K
7
电荷缺陷
e，
导带
F色心 n型半导体
（ e，导电 ） 施主能级
受主能级
V色心
p型半导体 （ h• 导电 ）
h•
价带
负离子空位形成正电中心，吸引自由电子，形成F色心 正离子空位形成负电中心，吸引电子孔穴，形成V色心
影 响8
§3.1 点缺陷（point defects）
一、点缺陷的类型 二、点缺陷化学反应表示法 三、热缺陷 四、固溶体（杂质缺陷） 五、非化学计量化合物（非化学计量缺陷） 六、点缺陷的运动（略）
VK
2ClCl
KCl
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练习： 1、少量TiO2添加到Al2O3晶格内（降低烧结温度） 2、少量Y2O3添加到ZrO2中（晶型稳定剂） 3、少量CaO加入到ZrO2晶格内（晶型稳定剂） 4、少量ZrO2加入到Al2O3晶格内（相变增韧）
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1、少量TiO2添加到Al2O3晶格内
以正离子为基准1来自第三章 晶体结构缺陷§3.1 点缺陷 §3.2 线缺陷 §3.3 面缺陷 §3.4 体缺陷
2
①定义
理想晶体所有质点都在自己的结点位置,质点严格按照空间点阵排列。 实际晶体与理想的点阵结构发生偏离(位置、组成),存在着各种各样的结构的不完整性。
晶体结构缺陷：指晶体点阵结构中周期性势场的畸变。
第二章晶体结构缺陷(线缺陷课件-9)
（a）混合位错的形成 ） （b）混合位错分解为刃位错 ） 和螺位错示意图
螺位错形成示意图
晶体局部滑移造成的螺型位错
螺型位错具有以下特征：
♦ 1).螺型位错无额外半原子面，原子错排是呈轴对称的。 ♦ 2).根据位错线附近呈螺旋形排列的原子的旋转方向不
同，螺型位错可分为右旋和左旋螺型位错。 ♦ 3).螺型位错线与滑移矢量平行，因此一定是直线，而 且位错线的移动方向与晶体滑移方向互相垂直。 ♦ 4).纯螺型位错的滑移面不是唯一的。凡是包含螺型位 错线的平面都可以作为它的滑移面。但实际上，滑移 通常是在那些原子密排面上进行。 ♦ 5). 螺型位错周围的点阵畸变随离位错线距离的增加 而急剧减少，故它也是包含几个原子宽度的线缺陷。
1. 刃型位错
♦ （1）刃型位错（edge dislocation）的产生 刃型位错（
完整晶体滑移的理论剪切强度要远高于实际晶体滑移的对 完整晶体滑移的理论剪切强度要远高于实际晶体滑移的对 的理论剪切强度要远高于实际晶体滑移 应强度，从而促进了位错理论的产生和发展。 应强度，从而促进了位错理论的产生和发展。 刃型位错： （2） 刃型位错： 作用下， ABCD面为滑移面发生 晶体在大于屈服值的切应力τ作用下，以ABCD面为滑移面发生 滑移。EF是晶体已滑移部分和未滑移部分的交线 是晶体已滑移部分和未滑移部分的交线， 滑移。EF是晶体已滑移部分和未滑移部分的交线，犹如砍入晶体 的一把刀的刀刃，即刃位错（或棱位错）。 的一把刀的刀刃，即刃位错（或棱位错）。 刃型位错线：多余半原子面与滑移面的交线。 刃型位错线：多余半原子面与滑移面的交线。 (3)几何特征 (3)几何特征 位错线与原子滑移方向相垂直； 位错线与原子滑移方向相垂直；滑移面上部位错线周围原子受 压应力作用，原子间距小于正常晶格间距； 压应力作用，原子间距小于正常晶格间距；滑移面下部位错线周 围原子受张应力作用，原子间距大于正常晶格间距。 围原子受张应力作用，原子间距大于正常晶格间距。 (4)分类 正刃位错， 分类： 负刃位错， (4)分类：正刃位错， “⊥” ；负刃位错， “┬ ” 。符号中 水平线代表滑移面，垂直线代表半个原子面。 水平线代表滑移面，垂直线代表半个原子面。
晶体缺陷
第二章晶体缺陷固体在热力学上最稳定的状态是处于0K温度时的完整晶体状态，此时，其内部能量最低。
晶体中的原子按理想的晶格点阵排列。
实际的真实晶体中，在高于0K的任何温度下，都或多或少的存在着对理想晶体结构的偏离，即存在着结构缺陷。
结构缺陷的存在及其运动规律，对固体的一系列性质和性能有着密切的关系，尤其是新型陶瓷性能的调节和应用功能的开发常常取决于对晶体缺陷类型和缺陷浓度的控制，因此掌握晶体缺陷的知识是掌握材料科学的基础。
晶体缺陷从形成的几何形态上可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。
其中点缺陷按形成原因又可分为热缺陷、组成缺陷（固溶体）和非化学计量化合物缺陷，点缺陷对材料的动力性质具有重要影响。
本章对点缺陷进行重点研究，对线缺陷的类型和基本运动规律进行简要的介绍，面缺陷的内容放在表面和界面一章中讲解。
第一节热缺陷一.热缺陷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。
由于质点热运动产生的缺陷称为热缺陷。
二.热缺陷产生的原因当温度高于绝对温度时，晶格中原子热振动，温度是原子平均动能的度量，部分原子的能量较高，大于周围质点的约束力时就可离开其平衡位置，形成缺陷。
三.热缺陷的基本类型1.肖特基缺陷如果表面正常格点上的原子，热起伏过程中获得能量离开平衡位置但并未离开晶体，仅迁移到晶体表面外新表面的一个位置上，在原表面格点上留下空位。
原子的迁移相当于空位的反向迁移，表面的空位移至晶体的内部。
显然，在产生肖特基缺陷晶体会增大体积。
为了维持晶体的电中性，正、负离子空位同时按化学式关系成比例产生。
2.弗伦克尔缺陷晶格热振动时，一些原子离开平衡位置后挤到晶格的间隙位置中形成间隙原子，而原来的结点形成空位。
此过程中，间隙原子与空位成对产生，晶体体积不发生变化。
四 .缺陷化学 1.缺陷表示方法在克劳格.明克符号系统中，用一个主要符号来表明缺陷的种类，用一个下标来表示缺陷的位置，缺陷的有效电荷在符号的上标表示，如“·”表示正电，“’”表示负电，“×”表示中性。
无机材料科学基础晶体结构缺陷PPT课件
③对于离子，则认为加入或去掉电子。如：在NaCl晶体中去掉
一个Na+，则认为在Na的位置上留下一个电子；去掉一个Cl-， 则认为在Cl 的位置上去掉一个电子。
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※ 对于二元化合物MX，缺陷化学符号的表示方法详细规定如下： 1．空位： 用VM和VX分别表示M原子空位和X原子空位。
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二、热缺陷
由于热起伏（温度高于0K时），晶格内原子热振动，使一部分 能量较高的原子离开了正常格点位置，进入间隙或迁移到晶 体表面，在原来位置上留下空位，使晶体产生缺陷。这种缺 陷称为热缺陷。有两种基本类型：
肖特基缺 陷
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弗仑克尔缺陷
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（1）肖特基（Schottky）缺陷——晶体中能量较大 的原子离开正常位置而迁移到晶体表面，在晶体内部 正常格点上留下空位。图2-39(a) 对于肖特基缺陷，可认为空位是由表面向内部逐渐 迁移的，并非在晶体内部一次形成。肖特基缺陷的产 生使晶体的体积增加。
如CaF2晶体，F－形成Fenkel缺陷的⊿Gf=2.8ev；而 形成Schottky缺陷的⊿Gf=5.5ev；所以在CaF2晶体 中， Fenkel缺陷是主要的。
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表4-1为某些化合物的缺陷形成自由能。 目前，对缺陷形成自由能尚不能精确计算，但其大小与晶 体结构、离子极化等因素有关。
目前采用最广泛的表示方法是克罗格—明克（Kroger-Vink）符号。
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※ Kroger-Vink符号规定： ①用一个主要符号来表明缺陷的种类，用下标表ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ这个缺陷的
位置，用上标表示缺陷的有效电荷。“ · ”表示有效正电荷， “′”表示有效负电荷，“×”表示有效零电荷。
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3）、非化学计量缺陷
定义:指组成上偏 离化学中的定比定律所 形成的缺陷。它是由基 质晶体本身存在变价元 素产生的一种电子缺陷， 如Fe1－xO、Zn1+xO等 晶体中的缺陷。
特点:其化学组成 随周围气氛的性质及其 分压大小而变化。
4）、 其它原因，如辐 照缺陷等
TiO2
3+
• 5)、缺陷的作用 • 点缺陷使晶体结构局部畸变，缺陷产生
（1－5〕较不合理。因为Mg2+进入间隙位置，在刚 玉型离子晶体中不易发生。
4、热缺陷浓度计算
1)、计算单质晶体的公式 • 若是单质晶体形成热缺陷浓度计算为： • ｎ／Ｎ：表示热缺陷在总结点中所占分数，
即热缺陷浓度； • E：缺陷形成能； • k：波兹曼常数
n exp(－E )
N
KT
• 2）、二元离子晶体
体缺陷--祖母绿中的两 相“逗号状”包裹体
白榴石中的包裹体
面缺陷（小角晶界）
图２－５ 面缺陷－共格晶面 面心立方晶体中{111}面反映孪晶
线缺陷 (a) 刃位错 (b)螺位错
(a)
(b)
(a)空位
(b)杂质质点
(c)间隙质点
晶体中的点缺陷
• 一、点缺陷(point defect)
• （一）、点缺陷的类型
2）Kroger-Vink(克罗格—明克)的点缺陷符号
用一个主要符号表明缺陷的种类 用一个下标表示缺陷位置 用一个上标表示缺陷的有效电荷
缺陷的主要符号， 表明缺陷的种类
上标符号，表明缺陷所带
上标
的缺陷电荷
主要 符号
下标
下标符号，表明缺陷 的缺陷位置
如“ . ”表示有效正电荷; “ ' ” 表示有效负电荷;
晶体缺陷
一、概述1、晶体缺陷：晶体中原子（离子、分子）排列的不规则性及不完整性。
种类：点缺陷、线缺陷、面缺陷。
1) 由上图可得随着缺陷数目的增加，金属的强度下降。
原因是缺陷破坏了警惕的完整性，降低了原子间结合力，从宏观上看，即随缺陷数目增加，强度下降。
2) 随着缺陷数目的增加，金属的强度增加。
原因是晶体缺陷相互作用（点缺陷钉扎位错、位错交割缠结等），使位错运动的阻力增加，强度增加。
3) 由此可见，强化金属的方向有两个：一是制备无缺陷的理想晶体，其强度最高，但实际上很难；另一种是制备缺陷数目多的晶体，例如：纳米晶体，非晶态晶体等。
二、点缺陷3、点缺陷：缺陷尺寸在三维方向上都很小且与原子尺寸相当的缺陷（或者在结点上或邻近的微观区域内偏离晶体结构正常排列的一种缺陷），称为点缺陷或零维缺陷。
分类：空位、间隙原子、杂质原子、溶质原子。
4、肖特基空位：原子迁移到晶体表面或内表面正常结点位置使晶体内形成的空位。
5、弗仑克尔空位：原子离开平衡位置挤入点阵间隙形成数目相等的空位和间隙原子，该空位叫做弗仑克尔空位。
6、空位形成能EV：在晶体中取出一个原子放在晶体表面上（不改变晶体表面积和表面能）所需的能量。
间隙原子形成能远大于空位形成能，所以间隙原子浓度远小于空位浓度。
7、点缺陷为热平衡缺陷，淬火、冷变形加工、高能粒子辐照可得到过饱和点缺陷。
8、复合：间隙原子和空位相遇，间隙原子占据空位导致两者同时消失，此过程成为复合。
9、点缺陷对性能的影响：点缺陷使得金属的电阻增加，体积膨胀，密度减小；使离子晶体的导电性改善。
过饱和点缺陷，如淬火空位、辐照缺陷，还可以提高金属的屈服强度。
三、线缺陷10、线缺陷：线缺陷在两个方向上尺寸很小，另外一个方向上延伸较长，也称为一维缺陷。
主要为各类位错。
11、位错：位错是晶体原子排列的一种特殊组态；位错是晶体的一部分沿一定晶面与晶向发生某种有规律的错排现象；位错是已滑移区和未滑移区的分界线；位错是伯氏矢量不为零的晶体缺陷。
晶体结构缺陷-PPT精品文档
热缺陷类型
•
按照离开平衡位置原子进入晶格内的不同位置，热缺陷以此分为 二类： 1. 弗伦克尔缺陷（Frenkel） 离开平衡位置的原子进入晶格的间隙位置，晶体中形成了弗伦克 尔缺陷。弗伦克尔缺陷的特点是空位和间隙原子同时出现，晶体 体积不发生变化，晶体不会因为出现空位而产生密度变化。 2. 肖特基缺陷（Schottky） 离开平衡位置的原子迁移至晶体表面的正常格点位置，而晶体内 仅留有空位，晶体中形成了肖特基缺陷。晶体表面增加了新的原 子层，晶体内部只有空位缺陷。肖特基缺陷的特点晶体体积膨胀， 密度下降。
点缺陷类型
1.
2.
3.
热缺陷（本征缺陷） 杂质缺陷（非本征缺陷） 非化学计量结构缺陷（非整比化合物）
热缺陷的定义
当晶体的温度高于绝对零度时，晶格内原子吸收能量， 在其平衡位置附近热振动。温度越高，热振动幅度加 大，原子的平均动能随之增加。热振动的原子在某一 瞬间可以获得较大的能量，挣脱周围质点的作用，离 开平衡位置，进入到晶格内的其它位置，而在原来的 平衡格点位置上留下空位。这种由于晶体内部质点热 运动而形成的缺陷称为热缺陷。
非化学计量结构缺陷
原子或离子晶体化合物中，可以不遵守化合物的整数
比或化学计量关系的准则，即同一种物质的组成可以 在一定范围内变动。相应的结构称为非化学计量结构 缺陷，也称为非化学计量化合物。非化学计量结构缺 陷中存在的多价态元素保持了化合物的电价平衡。
1. 2.
非化学计量结构缺陷的形成： 组成中有多价态元素组分，如过渡金属氧化物； 环境气氛和压力的变化。
晶体结构缺陷
点缺陷
点缺陷的名称
无机非金属材料中最重要也是最基本的结构缺陷是点
缺陷。根据点缺陷相对于理想晶格位置的偏差状态， 点缺陷具有不同的名称：
晶体结构缺陷
实际晶体在结晶时受到杂质、温度变化 或振动等产生的应力作用，或由于晶体在使 用时受到打击切削、研磨等机械应力的作用， 使晶体内部质点排列变形，原子行列间相互 滑移，而不再符合理想晶格的有秩序的排列， 形成线状的缺陷。
例：金属淬火后为什么变硬？
概念：
1. 滑移
在外力作用下，晶体的一部分相对于另一部分，沿着一定晶面的一定晶向 发生平移，使晶面上的原子从一个平衡位置平移到另一个平衡位置的过程。
例：高温结构材料Al2O3可以用ZrO2来实现增韧， 也可以用MgO来促进Al2O3的烧结。 (a) 如加入0.2mol% ZrO2,试写出缺陷反应式和固溶分子式。 (b) 如加入0.3mol% ZrO2和xmol%MgO对进行复合取代， 试写出缺陷反应式、固溶分子式及求出x值。
3.3 线 缺 陷
Schottky缺陷的产生
3.2 点缺陷的符号表征、反应方程式
例：写出CaCl2溶解在KCl中缺陷反应方程式
1. 常用缺陷表示方法：
Abz
用一个主要符号(A)表明缺陷的种类 用一个下标(b)表示缺陷位置 用一个上标(z)表示缺陷的有效电荷
如“ . ”表示有效正电荷; “ / ”表示有效负电荷;
“×”表示有效零电荷。
用MX离子晶体为例：
空位
VM
填隙原子 Mi
错位原子 MX
自由电子及电子空穴 e h•
缔合中心 VMVX VN aVC•l
带电缺陷
带电缺陷
把离子化合物看作完全由离子构成（这里不考虑化学键性质），
则在 NaCl晶体中，如果取走一个Na+ 晶格中多了一个 e/, 必然和这个 e/ 相联系，形成带电的空位——
位错线在几何上的特征：
晶体结构和晶体缺陷
c0=0.625nm，Z=2；阳离子和阴离子的配位数都 是4 ；S2-按六方最紧密堆积排列，Zn2+充填于1/2 的四面体空隙中。
S 2 - ：000, 2/3 1/3 1/2 Zn2+：00u, 2/3 1/3 (u-1/2)，
其中u=0.875
始格子，而自成另一套四方原始格子，因为这两个Ti4+周围 环境不同，不能成为四方体心格子，O2-处于特定位置；
Ti4+的配位数为6，O2-的配位 数为3。
Ti4+：000，½½½ O2-：uu0, (1-u)(1-u)0, ( ½+u)(½-u)½，(½-u)(½+u)½ ，u=0.31
Ti-O八面体以共棱方式排成链状，晶胞中心的链和四角的 Ti－O八面体链的排列方向相差90°
晶体结构与晶体中的缺陷
§2.1 典型结构类型
§2.2 硅酸盐晶体结构（略， 实验课参照模型学习） §2.3 晶体结构缺陷
§2.1 典 型 结 构 类 型
一．金刚石结构 二．石墨结构 三．NaCl型结构 四．CsCl型结构 五．闪锌矿型结构 六．纤锌矿型结构
七．萤石型结构 八．金红石型结构 九．碘化镉型结构 十. 刚玉型结构 十一. 钙钛矿型结构 十二. 尖晶石型结构
Zn2+：¼ ¼ ¾ , ¼ ¾ ¼ , ¾ ¼ ¼ , ¾ ¾ ¾
结构俯视图，数字为标 高，0为底面位置，25、 50、75分别为晶胞1/4、
1/2、3/4的标高
S2-
Zn2+
Zn-S四面体以
共顶方式相连
属于闪锌矿型结构的晶体：-SiC, GaAs, AlP, InSb等
晶体结构缺陷课件
精选课件
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图3-1 点缺陷的种类
精选课件
8
2、根据缺陷产生原因划分 1）热缺陷：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而 造成缺陷，这种缺陷称为热缺陷。热缺陷有两种基本形 式：弗仑克尔缺陷（Frenkel defect）和肖特基缺陷 (Schottky defect)。
离子晶体中基本点缺陷类型
精选课件
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4）溶质原子：LM表示L溶质处在M位置，SX表示S溶质处 在X位置。 例：Ca取代了MgO晶格中的Mg写作CaMg， Ca若填隙在MgO晶格中写作Cai。
5）自由电子及电子空穴：自由电子用符号e′表示。电子空 穴用符号h·表示。它们都不属于某一个特定的原子所有， 也不固定在某个特定的原子位置。
(b)晶体的体积不发生改变。 (b)伴随有晶体体积的增加；
(c)肖特基缺陷的生成需要一个晶格上
混乱的区域，如晶界、位错、表面位置等。
精选课件
12
2）杂质缺陷：外来原子进入晶体而产生的缺陷。包括间隙杂质原 子和取代杂质原子。
3）非化学计量结构缺陷：有一些化合物，它们的化学组成会明显 随着周围气氛的性质和压力大小的变化而发生组成偏离化学计量 的现象，称之为非化学计量缺陷，它是生成n型或p型半导体的基 础。例如：TiO2在还原气氛下变为TiO2-x（x=0~1），这是一种n型 半导体。
精选课件
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3）质量平衡：缺陷方程的两边必须保持质量平衡。缺陷 符号的下标仅表示缺陷位置，对质量平衡不起作用。如 VM为M位置上的空位，它不存在质量。
4）电荷守恒：在缺陷反应前后晶体必须保持电中性，即 缺陷反应式两边必须具有相同数目的总有效电荷。
晶体结构与缺陷
晶体结构与缺陷晶体是由原子或离子按照一定的空间排列规律组成的。
晶体结构的决定因素是每个离子或原子的电荷、大小、排列方式等。
晶体中还存在各种类型的缺陷，它们对晶体的物理、化学性质产生着深刻的影响。
本文介绍晶体结构和常见的晶体缺陷类型。
晶体结构晶体结构的研究是材料科学的重要组成部分。
晶体结构的基本特征是周期性结构和各向同性。
晶体结构的周期性结构可以用晶格来描述，而各向同性则表现为晶体结构在各个方向都有相同的物理和化学性质。
晶格是晶体结构的一个重要概念，它是通过一系列点阵使晶体结构排列有序的几何体系。
晶格可以分为7种类型，分别为简单立方晶格、面心立方晶格、体心立方晶格、三斜晶系晶格、正交晶系晶格、单斜晶系晶格和六角晶系晶格。
每种晶格有其特有的周期性结构。
在晶格之上，晶体还有原子或离子，它们按照一定的规律排列，形成了晶体的基本单位——晶体胞。
不同晶体胞的形状和大小不同，但其原子或离子的排列方式是相同的。
晶体结构的描述方式可以分为两种，一种是几何描述方式，一种是结构描述方式。
几何描述方式主要是通过晶格参数来描述晶格的形态和大小，结构描述方式通过具体的晶体结构来描述晶体基本单位的排列方式。
晶体缺陷晶体缺陷是指晶体中原子在排列方式上的失序或错误。
晶体缺陷是不可避免的，因为完美的晶体无法在实验条件下合成。
晶体缺陷可以改变晶体的物理和化学性质，严重的缺陷甚至会导致晶体失去结构完整性。
常见的晶体缺陷包括点缺陷、面缺陷和体缺陷。
点缺陷是晶体结构中位置上的失序或错误，如空位、插入物和替代物等。
面缺陷包括晶界、位错和孪晶等。
体缺陷是晶体中局部形成的缺陷，如空泡、裂纹、孔洞和夹杂等。
晶体缺陷的产生有多种原因，主要包括制备过程中的失误和温度、压力等外界条件的变化。
晶体缺陷对晶体的物理和化学性质产生深刻影响，如制备材料中的一些关键性质可能由于缺陷而发生变化。
晶体结构和晶体缺陷是材料科学中的重要概念。
晶体结构的周期性结构和各向同性为晶体的物理和化学性质提供了基础保障，晶体缺陷则可以改变晶体的物理和化学性质。
晶体结构中的缺陷ppt课件
w
kBT
n
[ln
(N
N! ] n)!n!
w
kBT
ln
N
n
n
0
…………………（7）
由于实际上一般只有少数格点为空位，n<<N，所以由式（7）得到平衡时空位的数目为：
点缺陷类型
2. 杂质缺陷（非本征缺陷）
3. 非化学计量结构缺陷（非整比化合物）
- 6-
- 7-
热缺陷（本征缺陷）
热缺陷（ thermal defect）
热缺陷反应规律 当晶体中剩余空隙比较小时，如NaCl型结
构，容易形成肖特基缺陷；当剩余空隙比较 大时，如CaF2型结构，易形成弗仑克尔缺陷。
a. 定义：当晶体温度高于绝对0K时，由于晶格内原子热振动， 使一部分能量较大的原子偏离平衡位置造成缺陷。
陷，称为层错。 Si晶体中常见的层错有外延层错和
热位错氧研化究层方错法。：主要是利用光学显微镜、X-ray衍射分析仪和电子显微镜等来进行直接观
察或间接测定。
- 17 -
（二）面缺陷
1、堆垛层错 金属晶体常采取立方密积结构形式，而立方密积是原子球以三层为一循环的密堆积结构，若把这三 层原子面分别用A、B、C表示则晶体的排列形式是 …ABCABCABCABC… 若某一晶体（比如A）在晶体生长时丢失，原子面的排列形式成为： …ABCABCBCABCABC… 其中B晶面便是错位的面缺陷，若从某一晶面开始，晶体两部分发生了滑移，比如从某C晶面以后 整体发生了滑移，C变成A，则晶面的排列形式可能变成 …ABCABABCABCABC… 其中A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。
晶体缺陷9 面缺陷
特点 1. 外表面上的原子部分被其它原子包围，即相邻原子 数比晶体内部少
2. 表面成分与体内不一
3. 表面层原子键与晶体内部不相等，能量高
4. 表层点阵畸变
表面能 晶体单位表面积自由能的增加 数值上等于表面张力
二、 晶界和亚晶界
晶界：属于同一固相但位向不同的晶粒之间的界面。只有 几个原子间距宽度。一般晶粒尺寸：15-25um 亚晶粒：一个晶粒中若干个位向稍有差异的晶粒。亚晶粒 尺寸：1um
1/5重合位置点阵
重合位置点阵模型
应用场离子显微镜研究晶界，发现当相邻晶粒处在某些特 殊位向时，不受晶界存在的影响，两晶粒有1/n的原子处 在重合位置，构成一个新的点阵称为“1/n重合位置点 阵”，1/n称为重合位置密度。
体心立方结构的重合位置点阵
三个颗粒交界处的界面张力平衡
2 3 31 12 sin 3 sin 1 sin 2
是[001]，投影面(001)
为了填补相邻两个晶粒取 向之间的偏差，每隔几行 就插入一片原子，形成一 系列平行的刃位错。
位错间距D、b与取向差θ之间满足下列关系：
b 2 sin ; 2 D
D
b 2 sin
2
b
B. 不对称倾斜晶界
两个简单立方晶体绕共 同的轴[100]相对转动θ角 后，晶界又绕晶粒的共 同轴转动φ角而成（具有 两个自由度）。晶界和 其中一个晶粒的[100]轴 成φ＋θ/2角，而和另一 个晶粒的[-100]轴成φ－ θ/2 角。
在平衡状态下，三叉晶界各面角均趋于120°,此时各晶界能基本相等
设有两个晶粒与一个β相晶粒相交于一公共晶棱，并形成三叉晶界，已 界面能β。
知β相所张的两面角为100°，界面能为0.31Jm-2，试求相与β相的
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知识点059. 面缺陷及分类定义：
分类：
晶界及分类：定义：
分类：
1.按晶粒间位向差分类
晶界
小角度晶界
大角度晶界倾斜晶界（晶间）
扭转晶界（晶间）
对称倾斜晶界
不对称倾斜晶界亚晶界（晶内）
小角度晶界
对称倾斜晶界
形成：倾斜晶界为（100）面（晶界）。
投影面为（001）面。
两侧晶体的位向差为θ，相当于相邻晶粒绕[001]轴反向各自旋转θ/2而成。
转轴是[001]。
对称倾斜晶界
几何特征：相邻两晶粒相对于晶界作旋转，转轴在晶界内并与位错线平行。
结构特点：由一系列平行等距离排列的同号刃位错所构成。
不对称倾斜晶界
形成：界面是绕[001]轴旋转角度φ的任意面，相邻两晶粒的取向差仍是很小的θ角，但界面两侧晶粒是不对称的。
投影面为（001）面。
两侧晶体的位向差为θ，相当于相邻晶粒绕[001]轴反向
各自旋转θ/2而成。
转轴是[001]。
不对称倾斜晶界
几何特征：界面与左
侧晶粒 [100] 轴向夹角为φ-θ/2，与右侧晶粒的[100]成φ+θ/2夹角。
结构特点：由两组相互垂直的刃位错组成
扭转晶界
扭转晶界
几何特征：相邻两晶界关于001轴旋转，转轴不在晶界内，且与位错线相互垂直。
结构特点：由两组相互垂直的螺位错组成
*亚晶粒与亚晶界：
亚晶界也可以用位错模型描述。
亚晶界两侧的亚晶粒取向差或位向差小于2度。
亚晶粒大小一般不超过0.001mm。
大角度晶界
2.按晶界两边原子排列的连贯性分
2.按晶界两边原子排列的连贯性分
3.按堆积方式描述的晶界为堆垛层错，包括反映孪晶
以面心立方结构为例,当正常层序中抽走一原
子层, 相应位置出现一个逆顺堆垛层
……ABC AC ABC……称抽出型(或内禀)层错
；如果正常层序中插入一原子层, 相应位置出
现两个逆顺序堆层……ABCA C BCAB……称
插入型(或外禀)层错。
堆垛层错导致的孪晶面
堆垛层错导致的孪晶面
晶界的特性：
晶界的特性：
晶界的特性：
晶界的特性：
随堂练习：
答：
随堂练习：
答：
随堂练习：。