第四章 晶体中的缺陷
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杂质原子
3）杂质原子不同种类的原子替换原 有的原子占据其应有的位置，或进 入间隙位置。
填隙原子
在实际晶体内部，点缺陷附 近，原子排列会出现畸变， 其他地方则仍然规则排列
杂质原子
2、点缺陷的形成： 空位和同类填隙原子的产生和移动主要是依靠原子的 热涨落——热缺陷（本征缺陷） 1）夫伦克耳缺陷： 由于热涨落，一个原子从正常格点跳到间隙位置，同 时产生一个空位和一个填隙原子。
3.位错的特征： 离位错线较远处，原子排列接近于完整晶体； 离位错线较近处，原子排列有较大错乱
线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性密切相关。
§4.3 位错及其滑移
一、滑移
滑 移 面
滑 移 线
滑移面:由某一平面分割的材料两边有相对移动，出现的面 一般为原子密度较大的晶面。如面心立方的（111）面
滑移向:滑移的方向。 一般为滑移面上原子线密度最高的方向.如面心立方的<110>向
第四章 晶体中的缺陷
缺陷：把实际晶体中原子排列与理想晶体的差别称为晶体缺陷。
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。
§4.1 晶体缺陷的主要类型
晶体缺陷按范围和尺寸分类：
1、点缺陷：在三维空间各方向上尺寸都很小，原子尺寸 大小的晶体缺陷。
2、线缺陷：在三维空间的一个方向上的尺寸很大另外两 个方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶体缺陷。其 具体形式就是晶体中的位错。
包含许多的小晶体， 每个小晶体的内部， 晶格位向是均匀一致 的，而各个小晶体之 间，彼此的位向却不 相同。
晶界附近的原子排列较混乱， 是一种面缺陷
就是指正常堆垛顺序中引入不正常顺序堆
3、堆积层错 垛的原子面而产生的一类面缺陷。
抽出型层错
插入型层错
作业： 1、缺陷按照尺寸分哪几种。 2、点缺陷中弗伦克尔和肖特基两种缺陷的异同点？ 3、两种位错的异同点？
2) 加快原子的扩散迁移 空位可作为原子运动的周转站。
3) 形成其他晶体缺陷 过饱和的空位可集中形成内部的空洞，集中 一片的塌陷形成位错。
4) 由于形成点缺陷需向晶体提供附加的能量，因而引起附加比热 容。
5) 点缺陷还影响其它物理性质：如扩散系数、内耗、介电常数等。
§4.2 空位、填隙原子的运动和统计计算
弗伦克尔缺陷的特点是空位和 填隙原子同时出现，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。
空位＋填隙原子
2）肖脱基缺陷：
晶格内部的原子集聚了足够的动能，迁移到表面位置， 而在原来格点处留下空位。
••••• •••••
• •• • •
•••••
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•••••
••••• ••••• • ••• ••••• ••• • •••••
••
空位+表面原子
肖特基缺陷的特点是晶体表面增加了新的原子层，晶 体内部只有空位缺陷，且晶体体积膨胀，密度下降。
3）杂质缺陷 由外加杂质的引入所产生的缺陷，亦称为组成缺陷。 杂质缺陷的浓度与温度无关。 为了有目的地改善器件性能，人为地引入杂质原子。
例如： 硅半导体中：
105 个硅原子 掺入 一个硼原子 电导率增加 103倍
依靠点缺陷的运动，晶体的扩散得以实现
二、线缺陷 位错 线缺陷： 晶体内沿某一条线上附近的原子的排列
与完整晶格不相同产生的缺陷 1.刃型位错：
有刃型位错的晶体 将晶体的上半部分向左平移一个 原子间距，使晶体内有一个原子 平面在晶体内部中断，其中断处 的边沿即刃型位错
2.螺型位错：
将晶体的右半部分向下移动一个原子间距，而在分界线的区域 形成一螺旋面，分界线即螺型位错
3、面缺陷：在三维空间的两个方向上的尺寸很大,另外 一个方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶体缺陷。
一、点缺陷：
1、点缺陷的名称：
ຫໍສະໝຸດ Baidu
空位
填隙原子
1）空位:在晶格结点位置应 有原子的地方空缺，这种 缺陷称为“空位”。
2）填隙原子在晶格非结点 位置，往往是晶格的间隙， 出现了多余的原子。
红宝石激光器中：
刚玉晶体 Al2O3 铬离掺子入微Cr量 形成发光中心
3、点缺陷对材料性能的一般影响
原因：无论哪种点缺陷的存在，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：
1) 改变材料的电阻 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，电场急剧变化，因而对电子产 生强烈散射，导致晶体的电阻率增大。
三、螺位错的滑移
类比 撕纸 四、刃位错与螺位错的异同 相同点： 位错线周围晶格结构均发生局域畸变； 不同点： 刃位错中，位错线与滑移方向垂直；
螺位错中，位错线与滑移方向平行.
三、面缺陷
1、表面
在晶体表面，垂直于表面方向上平移对称性被破坏， 是一种面缺陷。
2、晶界
单晶体
内部晶体位 向完全一致
多晶体
一、空位、填隙原子的运动 空位和填隙原子的跳跃依靠热涨落，与温度紧密相关。 以填隙原子为例说明。
势
能
•
•
•
•
A O B •
•
•
•
•
势能ε约为几个eV
原子热振动能量:102 eV
填隙原子的跳跃靠偶然性的 热涨落实现
能量超过ε的几率： e kBT 跳跃率: 0e kBT V0：振动频率
如果晶体的滑移是整体的发生的,那么使滑移 发生的临界应力大约为 1010 N, 这m一2 数值比实
验值高出 个2数~量4级
即 实际 理论
原因：存在于晶体内部的位错极大地降低了产生滑 移所需的临界应力.
一部分原子先运动 位错滑移 其它原子相继运动 （形成位错）
晶体沿滑移面的整体滑移
二、刃位错(棱位错)的滑移
位错线附近原子结构已有明显畸变，使原子处于不稳定
状态，施加较小的切变力 τ，畸变后的原子将在滑移面
上平行于切变力方向移动；当位错线移出，在晶体表面 形成一个原子台阶。
类比1： 地毯鼓包的移动
A BA BA BA BA B
使地毯一边隆起一个鼓包，鼓包从一边移动到另一 边比地毯整块移动所花的力气要小得多 位错就类似一个“原子地毯”的鼓包，帮助原子滑移 类比2：蠕动模型
3）杂质原子不同种类的原子替换原 有的原子占据其应有的位置，或进 入间隙位置。
填隙原子
在实际晶体内部，点缺陷附 近，原子排列会出现畸变， 其他地方则仍然规则排列
杂质原子
2、点缺陷的形成： 空位和同类填隙原子的产生和移动主要是依靠原子的 热涨落——热缺陷（本征缺陷） 1）夫伦克耳缺陷： 由于热涨落，一个原子从正常格点跳到间隙位置，同 时产生一个空位和一个填隙原子。
3.位错的特征： 离位错线较远处，原子排列接近于完整晶体； 离位错线较近处，原子排列有较大错乱
线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性密切相关。
§4.3 位错及其滑移
一、滑移
滑 移 面
滑 移 线
滑移面:由某一平面分割的材料两边有相对移动，出现的面 一般为原子密度较大的晶面。如面心立方的（111）面
滑移向:滑移的方向。 一般为滑移面上原子线密度最高的方向.如面心立方的<110>向
第四章 晶体中的缺陷
缺陷：把实际晶体中原子排列与理想晶体的差别称为晶体缺陷。
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。
§4.1 晶体缺陷的主要类型
晶体缺陷按范围和尺寸分类：
1、点缺陷：在三维空间各方向上尺寸都很小，原子尺寸 大小的晶体缺陷。
2、线缺陷：在三维空间的一个方向上的尺寸很大另外两 个方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶体缺陷。其 具体形式就是晶体中的位错。
包含许多的小晶体， 每个小晶体的内部， 晶格位向是均匀一致 的，而各个小晶体之 间，彼此的位向却不 相同。
晶界附近的原子排列较混乱， 是一种面缺陷
就是指正常堆垛顺序中引入不正常顺序堆
3、堆积层错 垛的原子面而产生的一类面缺陷。
抽出型层错
插入型层错
作业： 1、缺陷按照尺寸分哪几种。 2、点缺陷中弗伦克尔和肖特基两种缺陷的异同点？ 3、两种位错的异同点？
2) 加快原子的扩散迁移 空位可作为原子运动的周转站。
3) 形成其他晶体缺陷 过饱和的空位可集中形成内部的空洞，集中 一片的塌陷形成位错。
4) 由于形成点缺陷需向晶体提供附加的能量，因而引起附加比热 容。
5) 点缺陷还影响其它物理性质：如扩散系数、内耗、介电常数等。
§4.2 空位、填隙原子的运动和统计计算
弗伦克尔缺陷的特点是空位和 填隙原子同时出现，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。
空位＋填隙原子
2）肖脱基缺陷：
晶格内部的原子集聚了足够的动能，迁移到表面位置， 而在原来格点处留下空位。
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空位+表面原子
肖特基缺陷的特点是晶体表面增加了新的原子层，晶 体内部只有空位缺陷，且晶体体积膨胀，密度下降。
3）杂质缺陷 由外加杂质的引入所产生的缺陷，亦称为组成缺陷。 杂质缺陷的浓度与温度无关。 为了有目的地改善器件性能，人为地引入杂质原子。
例如： 硅半导体中：
105 个硅原子 掺入 一个硼原子 电导率增加 103倍
依靠点缺陷的运动，晶体的扩散得以实现
二、线缺陷 位错 线缺陷： 晶体内沿某一条线上附近的原子的排列
与完整晶格不相同产生的缺陷 1.刃型位错：
有刃型位错的晶体 将晶体的上半部分向左平移一个 原子间距，使晶体内有一个原子 平面在晶体内部中断，其中断处 的边沿即刃型位错
2.螺型位错：
将晶体的右半部分向下移动一个原子间距，而在分界线的区域 形成一螺旋面，分界线即螺型位错
3、面缺陷：在三维空间的两个方向上的尺寸很大,另外 一个方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶体缺陷。
一、点缺陷：
1、点缺陷的名称：
ຫໍສະໝຸດ Baidu
空位
填隙原子
1）空位:在晶格结点位置应 有原子的地方空缺，这种 缺陷称为“空位”。
2）填隙原子在晶格非结点 位置，往往是晶格的间隙， 出现了多余的原子。
红宝石激光器中：
刚玉晶体 Al2O3 铬离掺子入微Cr量 形成发光中心
3、点缺陷对材料性能的一般影响
原因：无论哪种点缺陷的存在，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：
1) 改变材料的电阻 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，电场急剧变化，因而对电子产 生强烈散射，导致晶体的电阻率增大。
三、螺位错的滑移
类比 撕纸 四、刃位错与螺位错的异同 相同点： 位错线周围晶格结构均发生局域畸变； 不同点： 刃位错中，位错线与滑移方向垂直；
螺位错中，位错线与滑移方向平行.
三、面缺陷
1、表面
在晶体表面，垂直于表面方向上平移对称性被破坏， 是一种面缺陷。
2、晶界
单晶体
内部晶体位 向完全一致
多晶体
一、空位、填隙原子的运动 空位和填隙原子的跳跃依靠热涨落，与温度紧密相关。 以填隙原子为例说明。
势
能
•
•
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A O B •
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势能ε约为几个eV
原子热振动能量:102 eV
填隙原子的跳跃靠偶然性的 热涨落实现
能量超过ε的几率： e kBT 跳跃率: 0e kBT V0：振动频率
如果晶体的滑移是整体的发生的,那么使滑移 发生的临界应力大约为 1010 N, 这m一2 数值比实
验值高出 个2数~量4级
即 实际 理论
原因：存在于晶体内部的位错极大地降低了产生滑 移所需的临界应力.
一部分原子先运动 位错滑移 其它原子相继运动 （形成位错）
晶体沿滑移面的整体滑移
二、刃位错(棱位错)的滑移
位错线附近原子结构已有明显畸变，使原子处于不稳定
状态，施加较小的切变力 τ，畸变后的原子将在滑移面
上平行于切变力方向移动；当位错线移出，在晶体表面 形成一个原子台阶。
类比1： 地毯鼓包的移动
A BA BA BA BA B
使地毯一边隆起一个鼓包，鼓包从一边移动到另一 边比地毯整块移动所花的力气要小得多 位错就类似一个“原子地毯”的鼓包，帮助原子滑移 类比2：蠕动模型