第二章固体中缺陷2
晶体结构缺陷(二)固溶体
知识点052 固溶体的定义与分类定义分类置换式固溶体：间隙式固溶体：分类无限固溶体：有限固溶体：实例置换式实例：金属和金属形成的固溶体都是置换式的。
如，Cu-Zn系中的α和η固溶体都是置换式固溶体。
在金属氧化物中，主要发生在金属离子位置上的置换，如：MgO-CaO，MgO-CoO，PbZrO3-PbTiO3，Al2O3-Cr2O3等。
间隙式实例：金属和非金属元素H、B、C、N等形成的固溶体都是间隙式的。
如，在Fe-C系的α固溶体中，碳原子就位于铁原子的BCC（体心立方）点阵的八面体间隙中。
实例 无限互溶实例： Cu-Ni 系、Cr-Mo 系、Mo-W 系、Ti-Zr 系， MgO-CoO 系统，分子式可写为Mg x Ni 1-x O ，x =0~1 。
PbTiO 3与PbZrO 3，分子式可写成：Pb （Zr x Ti 1-x ）O 3，x =0~1 有限互溶实例： Cu-Zn 系统、Cu-Sn 系统、Fe-C 系统、Pd-H 系统（储氢材料）、NaCl-KCl 系统、MgO-CaO 系统，ZrO 2-CaO 系统、MgO-Al 2O 3系统等。
为什么？形成置换型固溶体的条件（经验规则）相似相溶r = r1–r2r1小于介于注意：只是必要条件而不是充分条件实例形成间隙型固溶体的条件（经验规则）实例随堂练习：答：= r = r 1–r 2 r 1随堂练习：答：经验规则！知识点053.固溶体的性质有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６考证资料或关注桃报：奉献教育（店铺）随堂练习：随堂练习：知识点054 固溶体类型的实验判别VW d 晶胞体积的晶胞质量（含有杂质的）固溶体理论密度理=0N i i i Wi i 阿佛加德罗常数的原子量实际所占分数的晶胞分子数质点质量⨯⨯=∑==ni Wi W 1CaOZrO 2 Ca Zr + O O + V O .. ,,2CaOZrO 2 Ca Zr + 2O O + Ca i.. ,,CaZr0.85O1.850.15有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６考证资料或关注桃报：奉献教育（店铺）CaO ZrO2Ca Zr + O O+ V O..,,Ca0.15Zr0.85O1.85x32423/565.5101.1351018.75cm g V W d =⨯⨯==--理置∑⨯⨯⨯+⨯⨯+⨯⨯==-++2224210022.6285.18185.04115.04O Zr Ca M M M Wi W 晶胞质量Ca 0.15Zr 0.85O 1.85Ca 0.15Zr 0.85O 1.85y2CaOZrO 2 Ca Zr+ 2O O + Ca i.. ,,Ca0.15Zr0.85O1.85Ca0.3/1.85Zr1.7/1.85O2∑⨯⨯⨯+⨯⨯+⨯⨯==-++2224210022.6228185.1/7.14185.1/3.04O Zr Ca M M M Wi W 晶胞质量32423/014.6101.1351025.81cm g V W d =⨯⨯==--理间Ca 0.3/1.85Zr 1.7/1.85O 232423/565.5101.1351018.75cm g V W d =⨯⨯==--理置32423/014.6101.1351025.81cm g V W d =⨯⨯==--理间随堂练习：答：1810218 82AlMg0.92O1.160.16Al0.16Mg0.92O1.16 xAl2x Mgl-2xO1+xAl2O3 2MgO2Al Mg.+ 2O O+ O i,,0.16 0.92 1.16=0.148 0.852 1.074密度增加xAl2x Mg1-3x OAl0.16Mg0.92O1.16Al2O3 3MgO2Al Mg.+ 3O O+ V Mg,,Al2x Mg1-3x O Al0.16/1.16Mg0.92/1.16O1.16/1.16有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６考证资料或关注桃报：奉献教育（店铺）0.138 0.793 1密度减小。
固体物理基础第2章 缺陷理论
并考虑到N>>ns，即可得到
us
ns Ne kBT
10
第2章 缺陷理论
2.1.3 间隙(填隙)原子 同样是由于晶格的热运动，如果晶体表面格点上的原子
移动到晶格内部的间隙位置，则会在晶体内部形成间隙原子 这种缺陷。根据间隙原子的形成过程，有时也把这种缺陷称 为反肖特基缺陷。间隙原子的计算公式为
式中，ui
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第2章 缺陷理论
图2.5 晶体中位错缺陷的形成过程
28
第2章 缺陷理论 从上面两种位错的形成过程不难看出，位错的形成主要
与晶体中存在的应力和形变有关，因此位错主要对晶体的机 械性能产生影响，并且在晶体生长中起着重要作用。另外， 由于位错线上的原子具有断裂的化学键(称为悬挂键)，这种 未饱和的悬挂键可以通过向晶体释放电子或者从晶体中俘获 电子，从而对晶体的电学性质产生影响。由于位错线上的原 子化学性质比较活泼，因此其化学腐蚀速度比其他区域快， 当晶体表面经过一定的化学腐蚀液的腐蚀后，就会在有位错 的地方形成腐蚀坑，结合晶体的各向异性，这些腐蚀坑往往 具有特殊的形状，正如第1章中讲到的金刚石结构(100)和 (111)晶面的化学腐蚀坑分别为正方形和正三角形。
ui
ni Ne kBT
(2.3)
11
第2章 缺陷理论 从上面三种缺陷的形成过程不难理解，一个费仑克尔缺
陷其实就包含一个肖特基缺陷和一个间隙原子，即uf=us+ui， 而相对于肖特基缺陷，形成间隙原子时所引起晶格局部畸变 的程度更大，因此必然有uf>ui>us。同时我们还可以想到， 当晶体中存在肖特基缺陷时，相邻格点上的原子跳跃进入该 空位所需要的能量是很小的，即空位(肖特基缺陷)的迁移能
以肖特基缺陷为例，设晶体由N个原子构成，温度为T
固体物理基础第2章 缺陷理论
固体物理基础第2章 缺陷理论 1
第2章 缺陷理论
2.1 点 缺 陷
点缺陷是晶体中以空位、间隙原子、杂质原子为中心， 在一个或几个晶格常数的微观区域内，晶格结构偏离严格周 期性而形成的畸变区域。简言之，点缺陷就是畸变区域在原 子尺寸范围的一种缺陷，也是晶体中最简单、最常见或者说 一定存在的缺陷形式。
14
第2章 缺陷理论 替位式杂质原子由于其原子半径与基质原子之间的差异，往 往也会引起晶格的畸变，如图2.3所示。当杂质原子的半径 与晶体的基质原子相当，且化学性质也很接近时，就有可能 得到很高的杂质固溶度，甚至可以形成无限固溶体，比如很 多的金属合金，以及GexSi1-x、GaAsxP1-x等，其中的x可以实 现从0到1的连续变化。可见，杂质原子能否进入晶体并处于 何种位置，除受制备工艺等外界条件限制外，最根本上取决 于两个方面:一方面是杂质原子本身的性质，包括原子负电 性、价态以及原子半径；另一方面则是基质材料的性质，包
8
第2章 缺陷理论
以肖特基缺陷为例，设晶体由N个原子构成，温度为T
时形成了ns个空位(肖特基缺陷)，空位形成能为us，由此引 起系统内能的增加为ΔU=nsus。当晶体中具有ns个空位时， 将总共包含N+ns个格点(ns个空格点)。而N个原子占据N+ns 个格点的排列方式为
Wபைடு நூலகம்NNns
(Nns)! N!ns!
us
ns Ne kBT
(2.2)
6
第2章 缺陷理论
图2.2肖特基缺陷(空位)的形成过程
7
第2章 缺陷理论 根据热力学统计理论，晶体中热缺陷的存在，一方面由
于需要形成能而会使晶体的内能U增加，另一方面，由于原 子排列混乱程度的增加，又会使晶体的组态熵S增加。根据 系统自由能的表达式：F=U-TS，可以看出，一定量的热缺 陷有可能使晶体的自由能反而下降。根据自由能极小的条件，
第2章 《材料科学》固体中的相结构
§2.3.1 氧化物结构
（1）AB型化合物的结构
NaCl型、闪锌矿（立方ZnS）结构、硫锌矿（立方ZnS） 结构。
Zn Zn Cl 图 NaCl矿结构 Na 图 闪锌矿结构 S
S
图 硫锌矿结构
§2.3.1 氧化物结构
（2）AB2型化合物的结构
荧石（CaF2）（面心立方结构）、ThO2 、 UO2 、 CeO2 、 BaF2 、 PbF2 、 CrF2 。此外，还有金红石结构(TiO2 )。 萤石的熔点低，是陶瓷材料中的助熔剂，UO2是陶瓷核燃料。
1
第二章 固体中的相结构
单相合金
----在固态下只有一个相。 固体纯金属、聚乙烯等。
（二相）多相合金
----合金中可能存在（二相）多 个相。
合金相结构
----合金相中原子具体的排列规 律，即相的晶体结构。 钢（α和Fe3C）、普通陶瓷 （晶相、玻璃相、气相）等
（3）合金相的分类
按照晶体结构的不同，可以将合金相分为固 溶体和化合物两类。
（ａ）完全无序 图 2-45
（ｂ）偏聚 固溶体中溶质原子分布示意图
（ｃ）部分有序
§2.1.5 固熔体的性能
固熔强化：随熔质浓度的增加，固熔体强度、硬度 明显增加的现象。 固熔强化实质：熔质原子与位错的交互作用。 特点及规律 ①两组元的晶体结构不同或原子半径差异大，固 溶强化效果就明显； ②间隙固熔体总是比置换固熔体具有更明显的强 化效果； ③对于某些具有无序－有序转变的固熔体而言， 有序状态的强度高于无序状态。 固溶体的物理性能 固溶体的电学、热学、磁学等物理性质也随成分而 连续变化，但—般都不是线性关系。
第2章 固体表面的特征
• 固体的表面特性 • 表层的结构 • 金属材料的内部结构特征 • 固体的表面几何形貌 • 原子力显微镜
2.1、 固体的表面特性
固体表面是指固体气或固液体界面，具有很复 杂的结构和特性。影响实际接触面积、摩擦、 磨损和润滑性能，也影响光学、导电、传热、 着色和外观。 三个基本特征：
(3) 表面粗糙度的评定参数
(3.1)表面粗糙度标准有:
《产品几何技术规范 表面结构 轮廓法 表面结构的术 语、定义及参数》（GB/T 3505-2000）
《表面粗糙度 参数及其数值》（GB/T1031-1995） 《机械制图 表面粗糙度符号、代号及其注法》（GB/T 131-1993）
表面粗糙度的评定参数
宏观几何形状 λ>10mm
几何形状误差
表面波度 1mm< λ<10mm
表面粗糙度 λ<1mm
(2)表面粗糙度对互换性的影响
表面粗糙度直接影响产品的质量，对零件表面许多功 能都有影响。其主要表现 ：
1. 配合性质 2. 耐磨性 3. 耐腐蚀性 4. 抗疲劳强度 为保证零件的使用性能和互换性，在零件几何精度设 计时必须提出合理的表面粗糙度要求。
1）轮廓算术平均偏差Ra 轮廓算术平均偏差是指在一个取样长度内,轮廓偏距
z(x)绝对值的算术平均值。
参数
Ra
幅值参数 - Ra
参数
Ra Ra Ra
Ra
幅值参数 – Ra的限制
表面粗糙度的评定参数
2）均方根粗糙度Rq(rms) 均方根粗糙度为测量区域高度的各点偏离
该区域平均高度位置的均方根值。
Rq 1 L z2dx
驱动箱 60/120/200mm行程(X)
固体物理讲义-第二章(第一和第二节)
弧线为 ω = 2(
β
M
1
) 2 sin
qa ；直线为 ω=Vq。 2
长波极限和短波极限下的原子位移示意图：
q 趋于 0, λ>>a
q 趋于 π/a, λ=2a
两种极限情况下，相邻原子的相对运动情况不同。
(3)格波的相速度(Vp)和群速度(Vg)。 两种速度存在不同的物理含义： 相速度(Vp)是特定频率为ω， 波矢为q的纯波 (单色波)的传播速度；而群速度(Vg)描述平均频率为ω，平均波矢为q的波包(复色
23
《固体物理学》
第二章 晶格振动和固体比热
利用欧拉公式： eiθ + e −iθ = 2 cos θ 和 1 − cos θ = 2sin 2
θ
2
ω2 =
2β 4β qa (1 − cos aq ) = sin 2 ( ) M M 2 1 β qa ⇒ ω = 2( ) 2 sin M 2
可以看出上式与n无关，表明n个联立方程都归结为同一个方程。只要ω和q 之间满足上式，就表示上式为联立方程的解。通常把之间的关系称为色散关系。 一维单原子链的色散曲线：
X m = Aei ( qma −ωt )
(2)格波波长：
= Aei ( qma + 2π −ωt ) = Aei ( qna −ωt ) = X n ; λ = 2π q
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《固体物理学》 格波与连续介质波的差别：
第二章 晶格振动和固体比热
X = Aei ( qx −ωt ) ，式中，连续介质波中 x 表示空间的任一点，而在格波中只
U'= 1 2 β ∑ ( X n − X n +1 ) ， β = u "( a ) ， u ( x ) 表示一维原子链中距离为x的两原子 2 n
固体缺陷 书[001]
![固体缺陷 书[001]](https://img.taocdn.com/s3/m/f1315c75777f5acfa1c7aa00b52acfc789eb9f32.png)
固体缺陷书固体的缺陷是指晶体中存在的结构上的缺陷，对于材料的性能和应用具有重要影响。
这些缺陷的产生可以是由于制备过程中的热力学或动力学因素，也可以是后期材料的使用过程中的应力或温度引起的。
了解和控制这些缺陷对于开发高性能材料具有关键意义。
本文将介绍几种常见的固体缺陷，并探讨其对材料性能的影响。
一、点缺陷点缺陷是晶体中最简单的缺陷，包括点缺陷和失序点缺陷。
晶体中最常见的点缺陷是空位和插入物。
空位是晶体中原子离开其正常位置形成的缺陷，插入物则是在晶体中出现的非正常原子。
这些点缺陷可以影响晶体的导电性、热导性以及机械性能。
通过控制点缺陷的生成和浓度，可以调控材料的性能。
二、线缺陷线缺陷是由于某些原子排列失序而形成的缺陷。
常见的线缺陷包括位错和螺旋位错。
位错是晶体中原子排列出现的错位，可以分为边位错和螺旋位错。
位错可以导致材料的塑性变形和断裂。
因此，在一些材料中，通过控制位错的生成和运动，可以提高材料的强度和韧性。
三、面缺陷面缺陷是晶体中表面的结构缺陷，包括晶界和孪晶。
晶界是晶体中不同晶粒的交界处，而孪晶是两个具有不同晶向的晶粒之间的缺陷。
晶界和孪晶可以影响材料的塑性和断裂行为。
对于一些功能材料，如电子材料和催化材料，通过调控晶界的结构和性质，可以提高其性能。
四、体缺陷体缺陷是晶体内部的大范围结构缺陷，包括晶体的缺陷相和固溶体。
缺陷相是由于晶体内部存在体积变化引起的缺陷，可以影响材料的热膨胀和热导率。
固溶体是指晶体中空间网格上的原子被其他原子替代或插入的缺陷。
通过调控固溶体的生成和浓度，可以改善材料的力学性能和化学稳定性。
综上所述，固体缺陷是晶体中存在的结构缺陷，对材料的性能和应用具有重要影响。
通过控制缺陷的生成和浓度，可以调控材料的性能和功能。
因此，深入研究固体缺陷的形成机制和影响规律，对于开发高性能材料具有重要意义。
未来的研究应该致力于发展新的材料制备方法和调控技术，以实现对固体缺陷的精确控制和优化，从而推动材料科学和工程的发展。
第二章固体中缺陷2
MgAl2 O Al O 4 2Al V 3O 2 3 Mg Mg O
CdCl
出现阴离子空位
a）CaO掺杂ZrO2，产生氧空位 b）钙钛矿体系LaCoO3中掺杂SrO
ZrO '' 2 CaO Ca V O Zr O O
LaCoO ' 2SrO 3 2Sr V 2O La O O
1)如果电流是Ag+载带的，负电极增重，正电极失重， AgI晶体无任何变化。 2)如果载带电流的是I-，正电极失重，靠着正电极的 AgI晶体增重。 3)如果两种离子都能载带电流，结果将介于二者之间。
CaF2型及相关结构
CaF2立方体堆积的情况
在阴离子过剩时，这些阴离子只能去占据八面体空隙。
2.置换型固溶体
间隙氧浓度：用
[O i ] x x 0 x
''
代替，取x0=0
x k 2 p O 2 /4, x (
3 1/2
k2 4
)
1/3
pO2
1/6
x pO2
1/6
点缺陷的类型
b）O×i
1/2O
2
0 O i
k
k 0 [O i ]/p x pO
c） O’i
1/2O k1
1 2
O2 ( g ) 2 FeFe VFe OO 3 2
2 FeFe为Fe 取代Fe 可写成2 FeFe 2 FeFe 2h
P型载流子
色心形成 载流子与氧压有关：用质量作用定律可得[h ] [PO ]1/6
2
即得 O2 ( g ) 2h VFe OO 2 '' h 被吸引到VFe附近，形成一 种V－色心
固体化学Ⅱ-缺陷
一、克罗格-明克缺陷符号
在克罗格-明克符号系统中，用一个主要符号来表示缺陷的种类， 而用一个下标来表示这个缺陷所在的位置，用一个上标来表示缺陷 所带的电荷。如用上标点“·”表示正电荷，用撇“′”表示负电荷， 有时用“×”表示中性。一“撇”或一“点”表示一价，两“撇” 或两“点”表示二价，以此类推。下面以MX离子晶体（M为二价 阳离子、X为二价阴离子）为例来说明缺陷化学符号的具体表示方 法。
固体化学Ⅱ-材料科学基础 第1章 晶体结构缺陷
晶体化学：晶体中所有的原子都按照理想的晶格点阵排列。 实际上，真实晶体中，在高于0K的任何温度下，都或多 或少地存在着对这种理想晶体结构的偏离，即存在着结构 缺陷----或者说是结构欠完美。
结构缺陷的存在及其运动规律与高温过程中的扩散、 晶粒生长、相变、固相反应、烧结等机理以及材料的物理 化学性能都密切相关。晶体缺陷对晶体的某些性质甚至有 着决定性的影响。如半导体的导电性质几乎完全是由外来 的杂质原子和缺陷存在所决定，还有一些离子晶体的颜色 都是来自缺陷。 目的：⑴寻找排除缺陷的方法，提高材料的质量和性能的 稳定性；⑵帮助理解高温过程的微观机制；⑶更好的性能。 --------------------材料科学基础中的基础。
面缺陷：其特点是仅在二维方向上的尺寸较大，而另 外一维方向上的尺寸很小，故也称二维缺陷，如晶体表 面、晶界（晶粒间界）和相界面等。
这三类缺陷中，点缺陷在无机材料中是最基本也是 最重要的，点缺陷主要有以下两种分类方法。 一、根据其对理想晶格偏离的几何位置及成分来划分
在点缺陷中，根据其对理想晶格偏离的几何位置及 成分来划分，可以分为间隙原子、空位和杂质原子三 种类型，如图所示。 1. 间隙原子
二、根据产生缺陷的原因来划分 可以分为下列三种类型：
固体缺陷 书
固体缺陷书固体材料的缺陷是指在晶体结构中存在的一些非理想的、不完美的部分。
这些缺陷的产生可能是由于材料的生长、加工、热处理或环境因素等多种原因引起的。
不同类型的固体缺陷会对材料的性能、热力学以及物理化学性质产生不同的影响。
固体缺陷可以分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。
点缺陷是指晶格中某个原子的位置处有一个替位原子或者是一个空位。
其中，替位原子是指一种原子替代了原先位于该位置的原子，从而改变了晶体的化学组成。
而空位是指原来应存在的晶胞中没有原子存在。
这些点缺陷的存在会引起晶体的导电性、热导性、磁性以及机械性能等的变化。
其中，点缺陷最常见的是空位缺陷，即晶格中原子缺失，而其他缺陷则较为罕见。
线缺陷是指晶体中存在线条状的缺陷，也被称为排列缺陷。
其中最常见的线缺陷是位错。
位错是晶体中某些原子的排列出现了不规则性，导致一条或多条原子的排列方式与理论上的完美晶体结构不同。
位错的产生可以是晶体的生长过程中出现变形，也可以是外力对晶体的作用导致晶体中原子排列发生位移。
位错对材料的力学性能、电学性能等具有重要的影响。
此外，其他的线缺陷还有折线、步缺陷等。
面缺陷主要表现为晶体的表面形貌不规则、断裂或者是晶面发生偏移。
这类缺陷的形成往往是由于外力作用、晶体的生长或者加工工艺等原因引起的。
面缺陷会导致晶体的形貌不均匀、机械强度下降以及其他性能的变化。
固体缺陷在材料研究和工程应用中都具有重要的意义。
通过研究和理解材料中的缺陷性质，可以帮助我们设计合适的材料合成方法、改善材料性能以及开发出新型的材料。
例如，通过控制材料中的点缺陷，可以改变材料的导电性能，开发出新型的电子器件；通过控制线缺陷，可以改善材料的力学强度，使其用于高强度结构材料；通过控制面缺陷，可以调控材料的表面反应性能，用于催化剂等领域。
总之，固体缺陷是固体材料中不可避免的存在，但这些缺陷也是材料发展和创新的源泉。
通过对固体缺陷的深入研究，我们可以更好地理解固体材料的行为和性能，为材料科学和工程提供更多的指导。
固体缺陷 书
固体缺陷书1. 引言固体缺陷是固体材料中的一种普遍现象。
它们可以是晶格中的原子或离子的位置偏移、缺失或多余，也可以是晶格中的结构缺陷，如晶界、位错和空隙等。
固体缺陷对材料的物理和化学性质产生了重要影响，因此对其进行深入研究具有重要意义。
2. 固体缺陷的分类根据固体缺陷形成原因和性质的不同，可以将固体缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷。
2.1 点缺陷点缺陷是指晶格中某个位置上原子或离子与理想位置有所偏离。
常见的点缺陷包括空位、间隙原子、杂质原子等。
•空位：指晶格中某个位置上没有占据的原子或离子。
空位可以通过热激活或辐射引起。
•间隙原子：指在晶格中出现在正常占据位置之间的额外原子或离子。
它们通常由于封闭过程或高温下的快速扩散而形成。
•杂质原子：指替代了晶格中某个位置上的原子或离子的外来原子或离子。
杂质原子可以影响材料的电学、磁学和光学性质。
2.2 线缺陷线缺陷是指晶格中某一维方向上的缺陷，包括位错和脆化性晶界。
•位错：指晶体中原子排列出现周期性偏移或错位。
位错可以影响材料的机械、热学和电学性质。
•脆化性晶界：是由于晶界处原子排列不完美引起的，使材料在该区域变得脆弱。
2.3 面缺陷面缺陷是指晶格中某个平面上的缺陷，如孪生、多晶和堆垛层错等。
•孪生：是指沿着特定方向形成对称镜像排列的两个区域。
孪生可以改变材料的力学、磁学和光学性质。
•多晶：是由多个晶粒组成的材料。
多晶结构中存在许多晶界，对材料的力学性能和导电性能产生重要影响。
•堆垛层错：是晶体中某些原子或离子的堆垛顺序发生错误。
堆垛层错可以改变材料的磁学、电学和光学性质。
3. 固体缺陷的影响固体缺陷对材料的物理和化学性质产生重要影响。
•电学性质：固体缺陷可以改变材料的导电性能。
例如，杂质原子可以引入额外的载流子，从而增加材料的电导率。
•磁学性质：固体缺陷对磁性材料的磁化行为有显著影响。
位错和孪生等线缺陷可以改变磁畴结构，从而影响磁性。
•光学性质：固体缺陷可以改变材料对光的吸收、散射和发射行为。
固体缺陷 书
固体缺陷书一、引言固体缺陷是指固体材料中存在的结构缺陷或缺陷点。
这些缺陷对材料的物理性质和化学性质具有重要影响，因此对固体缺陷的研究具有重要意义。
固体缺陷书是一本专门介绍固体缺陷的书籍，旨在深入探讨固体缺陷的种类、特性、产生原因以及对材料性能的影响等方面内容。
二、固体缺陷的分类固体缺陷可以分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。
2.1 点缺陷点缺陷是指固体晶体中的原子或离子的位置发生变化，形成了空位、插入原子、替代原子等缺陷。
点缺陷的种类包括空位缺陷、插入缺陷、替代缺陷和间隙原子等。
2.2 线缺陷线缺陷是指固体晶体中存在的一维缺陷，如晶体中的位错、脆性裂纹等。
2.3 面缺陷面缺陷是指固体晶体中存在的二维缺陷，如晶界、晶格错配等。
三、固体缺陷的产生原因固体缺陷的产生原因多种多样，主要包括以下几个方面：3.1 温度效应在高温下，原子或离子具有较大的热运动能量，容易发生位置变化，从而形成缺陷。
3.2 外界应力外界应力对固体晶体结构的稳定性造成影响，可能导致晶体中的缺陷形成。
3.3 化学反应某些化学反应会引起晶体中的原子或离子发生位置变化，从而形成缺陷。
四、固体缺陷对材料性能的影响固体缺陷对材料的物理性质和化学性质都具有重要影响，下面分别介绍其影响方面。
4.1 电学性质固体缺陷可以影响材料的导电性能、电阻率等电学性质。
4.2 光学性质固体缺陷会对材料的吸收光谱、发射光谱等光学性质产生影响。
4.3 热学性质固体缺陷会影响材料的热导率、热膨胀系数等热学性质。
4.4 机械性能固体缺陷对材料的硬度、强度、韧性等机械性能具有影响。
五、固体缺陷书的意义和应用固体缺陷书的编写和研究对于深入了解固体缺陷的本质、特性以及对材料性能的影响具有重要意义。
此外，固体缺陷书还可以为材料科学研究人员、工程师等提供参考，帮助他们更好地理解和应用固体缺陷的知识。
六、结论固体缺陷是固体材料中不可避免存在的结构缺陷或缺陷点。
固体缺陷的种类多样，产生原因复杂，对材料性能的影响广泛。
固体缺陷 书
固体缺陷书摘要：1.固体缺陷的定义与分类2.固体缺陷的形成原因3.固体缺陷的影响与应用4.固体缺陷的研究方法与发展趋势正文：1.固体缺陷的定义与分类固体缺陷，顾名思义，是指在固体材料中存在的不完整或不规则的结构。
根据其成因和性质，固体缺陷主要可以分为以下几类：点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷。
点缺陷是指在晶格点上缺少一个或多个原子，例如空位、自间隙原子和杂质原子等。
线缺陷是指在晶体内部存在的一维缺陷，如位错、双晶界、反相界等。
面缺陷主要包括二维的晶界、相界、位错环等。
体缺陷则涉及三维空间，例如孔洞、夹杂等。
2.固体缺陷的形成原因固体缺陷的形成原因多种多样，主要包括以下几点：（1）材料本身的内部结构不稳定，如原子排列出现错位，导致点缺陷的产生；（2）材料在生长过程中，如晶体生长速率过快，可能会出现位错等线缺陷；（3）外部环境因素，如高温、高压、辐射等，可能引起晶体内部结构的破坏，形成缺陷；（4）人为因素，如材料在加工过程中受到损伤，也可能形成缺陷。
3.固体缺陷的影响与应用固体缺陷对材料性能的影响具有双重性。
一方面，缺陷会降低材料的力学性能、导电性、光学性能等；另一方面，通过适当的缺陷引入，可以改善材料的性能，实现某些特定的功能。
例如，在半导体材料中引入掺杂杂质原子，可以改变其导电性质；在压电材料中引入位错，可以提高其压电效应。
因此，对固体缺陷的研究与控制，对于提高材料性能及实现特定功能具有重要意义。
4.固体缺陷的研究方法与发展趋势目前，研究固体缺陷的方法主要有实验技术、理论计算和模拟等。
实验技术包括光学显微镜、电子显微镜、X 射线衍射等；理论计算主要采用第一性原理、蒙特卡洛模拟等方法。
随着科学技术的进步，对固体缺陷的研究将更加深入。
未来的发展趋势包括：（1）发展更高分辨率的实验技术，以揭示更微观的缺陷结构；（2）结合理论计算和实验研究，深入了解缺陷形成机制及对材料性能的影响；（3）通过缺陷工程，实现对材料性能的调控和优化。
固体物理——缺陷
班级成绩学号第十二章晶体中的缺陷（crystal defect）姓名一、简要回答下列问题(answer the following questions)：1、为什么形成一个肖特基缺陷所需能量比形成一个弗仑克尔缺陷所需能量低？[答]形成一个肖特基缺陷时，晶体内留下一个空位，晶体表面多一个原子。
因此形成一个肖特基缺陷所需的能量，可以看成晶体表面一个原子与其他原子的相互作用能，和晶体内部一个原子与其他原子的相互作用能的差值。
形成一个弗仑克尔缺陷时，晶体内留下一个空位，多一个填隙原子。
因此形成一个弗仑克尔缺陷所需的能量，可以看成晶体内部一个填隙原子与其他原子的相互作用能，和晶体内部一个原子与其他原子的相互作用能的差值。
填隙原子与相邻原子的距离非常小，它与其他原子的排斥能比正常原子间的排斥能大得多。
由于排斥能是正值，包括吸引能和排斥能的相互作用能是负值，所以填隙原子与其他原子的相互作用能的绝对值，比晶体表面一个原子与其他原子的相互作用能的绝对值要小。
也就是说，形成一个肖特基缺陷所需能量比形成一个弗仑克尔缺陷所需能量要低。
2、什么是刃位错与螺位错？它们各有什么特征？［答］当晶格周期性的破坏发生在晶体内部一条线的周围则称为线缺陷，通常又称之为位错。
刃位错: 亦称棱位错。
其特点是：（1）原子的滑移方向与位错线的方向相垂直。
（2）晶体中有中断的原子面。
螺位错的特点是:（1）原子的滑移方向与位错线平行，且晶体内没有多余的半个晶面。
（2）垂直于位错线的各个晶面可以看成由一个晶面以螺旋阶梯的形式构成。
3、何为小角晶界？这种缺陷是面缺陷还是线缺陷？［答］具有完整结构的晶体两部分彼此之间的取向有着小角度θ的倾斜，在角θ里的部分是由少数几个多余的半晶面所组成的过渡区，这个区域称小角晶界。
这种缺陷是面缺陷。
二、解释下列物理概念（explain the following physics concepts）:1、缺陷缺陷――晶体中的缺陷表征对晶体理想的周期结构的任何形式的偏离。
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1.超导体YBa2Cu3O6+X缺陷结构的研究 1)YBa2Cu3O6+X相 结构
层状畸变的钙钛 矿结构
铜酸盐JahnTeller畸变
奇异的超导陶瓷
1973年，人们发现了超导合金――铌锗合金，其临界超导温 度为23.2K，该记录保持了13年
1986年，设在瑞士苏黎世的美国IBM公司的研究中心报道了 一种氧化物（镧－钡－铜－氧）具有35K的高温超导性，打 破了传统“氧化物陶瓷是绝缘体”的观念--缪勒和柏诺兹
ABO3钙钛矿结构
尖晶石结构典型代表MgAl2O4（AB2X4）它分有两种填隙模 式,一种就是全八面体,层内填隙率为3/4;还有一种是填四面 体+八面体,四面体层内填隙率为1/4,八面体也为1/4.所以 整个晶体中填隙率是四面体1/8八面体1/2
连续型固溶体中两组元素原子置换
ห้องสมุดไป่ตู้
置换型固溶体
2 '
1/2 O2
, x k 0p O
1/2
2
1/2
2
1 O i h
k ' ' 1/2
2
[O i ][h ] pO
'
, [O i ] [h ] p pO
1/4
2
x [O i ] k 1
1/2
实验测量结果： 缺陷类型为O’’i
x pO2
1/6
超导体YBa2Cu3O6+X缺陷结构的研究 6）反应焓△H
定义：把原子或离子的比例不成简单整数比或固定的比例关 系的化合物称为非化学计量化合物。 实质：同一种元素的高价态与低价态离子之间的置换型固溶 体。 例如：方铁矿只有一个近似的组成Fe0.95O，它的结构中总是 有阳离子空位存在，为保持结构电中性，每形成一个 V”Fe,必须 有2个Fe2+转变为Fe3+,即可以看成FeO和Fe2O3的固溶体。 分类： 1. 阴离子空位型 2. 阳离子间隙型 3. 阴离子间隙型 4. 阳离子空位型
2.8 固溶体
定义：一个（或几个）组元的原子（化合物）（溶质）溶入 另一个组元的晶格（溶剂）中，而仍保持另一组元的晶格类 型的固态晶体。 固溶体类型
① 间隙型固溶体 ② 置换型固溶体。
影响固溶体的形成条件
（1）原子或者离子大小；
（2）晶体的结构类型；
（3）原子或者离子电价； （4）电负性； 置换型固溶体
1 4
, [ Zni ] [e], [ ZnO ] 1, K [ Zni ] [ P ] 2 , O
2
2
缺陷与氧分压间的关系
3.阴离子间隙型 UO2+x可以看作UO3在UO2中的固溶体。由于结构中有间隙阴 离子，为保持电中性，结构中出现电子空穴，反应式为：
UU＋ / 2O2 UU ＋Oi 1
即 O2 Oi ＋2h 2
1
由化学平衡得[Oi ] [ PO2 ]
1 6
同样， 也不局限于特定的正离子，它在电场下运动，所以是P h 型半导体。
4、阳离子空位型
如Fe1-xO ,Cu2-xO
Fe1-xO可以看成是FeO和Fe2O3的固溶体。 缺陷反应为：
2 FeFe
间隙氧浓度：用
[O i ] x x 0 x
''
代替，取x0=0
x k 2 p O 2 /4, x (
3 1/2
k2 4
)
1/3
pO2
1/6
x pO2
1/6
点缺陷的类型
b）O×i
1/2O
2
0 O i
k
k 0 [O i ]/p x pO
c） O’i
1/2O k1
1986年底，美国贝尔实验室研究的氧化物超导材料，其临界 超导温度达到40K，液氢的“温度壁垒”（40K）被跨越。 1987年2月，美国华裔科学家朱经武和中国科学家赵忠贤相 继在钇－钡－铜－氧系材料上把临界超导温度提高到90K以 上，液氮的禁区（77K）也奇迹般地被突破了。 1987年底，铊－钡－钙－铜－氧系材料又把临界超导温度的 记录提高到125K。
缪勒和柏诺兹因此而荣获了1987年度诺贝尔物理学奖。
超导体YBa2Cu3O6+X缺陷结构的研究 2）CuOx层在结构中的作用 a） CuOx层缺陷：O’’i
b） x对结构的影响
x＜0.5，a=b，四方相，非超导相 x＞0.5，a≠b，正交相，超导相
c）x对超导转变温度的影响
0~0.35 ＞0.35 0.8~1.0 无超导 有超导 Tc=90K
3）离子价相同或离子价态和相同，可形成连续固溶体。 a）钠长石Na[AlSi3O8]----钙长石Ca[Al2Si2O8]中, 离子电价总和 为+5价（Na+1+Si+4和Ca+2+Al+3） b）复合钙钛矿型压电陶瓷材料(ABO3型)中：PbZrO4和 PbFe0.5Nb0.5O4(2Zr+4和Fe+3+Nb+5)B位取代。 C）钙钛矿A位取代：PbTiO3和Na0.5Bi0.5TiO3（2Pb+2和 Na+1+Bi+3） 4）电负性相近---有利于固溶体的形成，电负性差别大---趋向 生成化合物。 a）电负性差（ △<±0.4）比离子半径相对差（<15%）的规律 重要！ b）对于氧化物系统，固溶体的生成主要决定于离子尺寸与电 价的因素。
超导体YBa2Cu3O6+X缺陷结构的研究 5）点缺陷的类型
间隙氧还是空位（×）
间隙氧的价态是多少？（-1 、0 or -2）
k2 [O i ][h ] pO2
1/2 '' 2
a）O’’i 缺陷反应方程：1/2O2→ O’’i+2h•----k2
4[O i ] pO2
1/2
'' 3
2[O’’i]=[h•]=p
1)如果电流是Ag+载带的，负电极增重，正电极失重， AgI晶体无任何变化。 2)如果载带电流的是I-，正电极失重，靠着正电极的 AgI晶体增重。 3)如果两种离子都能载带电流，结果将介于二者之间。
CaF2型及相关结构
CaF2立方体堆积的情况
在阴离子过剩时，这些阴离子只能去占据八面体空隙。
2.置换型固溶体
置换型固溶体
5）当发生不等价的置换时，必然产生组分缺陷，即产生空位或间隙。
产生阳离子空位
a）用焰熔法制备镁铝尖晶石时，得不到纯尖晶石，而生成“富Al尖晶石” ，2Al3+置换3Mg2+的不等价置换。 b）CdCl2掺杂NaCl，
NaCl ' Cd V 2Cl 2 Na Na Cl
0.55~0.65 Tc=60K
超导体YBa2Cu3O6+X缺陷结构的研究 3）样品制备
固相法: BaO+Y2O3+CuO按配比称重混合，予烧三到四次，至
成相，然后压片烧结，涂上电极，测量性能。
实际上烧结后，要在高氧分压下处理，提高Tc。
4）加氧过程
氧在表面的吸附：1/2O2→O(S)
表面反应： O(S) →O’’i+2h• 间隙氧在样品中输运过程
综合上述过程：前面两步△H＜0，从热力学上看反应有利；温度升高，热力 学不利；从第三步看：D=D0exp（- △Hi/RT），温度升高，动力学有利；从 两方面考虑温度适中较好（500~700℃）。其它因素：氧压力对热力学有利， 时间长对动力学有利，可适当增加氧的压力和加长反应时间。
MgAl2 O Al O 4 2Al V 3O 2 3 Mg Mg O
CdCl
出现阴离子空位
a）CaO掺杂ZrO2，产生氧空位 b）钙钛矿体系LaCoO3中掺杂SrO
ZrO '' 2 CaO Ca V O Zr O O
LaCoO ' 2SrO 3 2Sr V 2O La O O
1）相互取代的离子尺寸越接近，就越容易形成固溶体
r1 r2 r1
<15% 15％～30％ >30%
形成连续固溶体 形成有限固溶体 不能形成固溶体
2）两个组分应具有相同的晶体结构或化学式类似，容易形成连续型固溶 体。例如：
a）MgO和NiO， Al2O3和Cr2O3，Mg2SiO4和Fe2SiO4等形成连续型
2
-AgI的结构是体心立方， I-形成立方体心 堆积，有三种可能的空隙提供给Ag+
1）八面体空隙，每个I分到3个八面体空隙，空 隙呈扁平状。 2）四面体空隙，每个I-分 到6个四面体空隙。
3）3个I-形成的三角形空隙， 每个I-分到12个三角形空隙。
体心立方点阵中的空隙
载流离子的确定
AgI中是Ag+ 导电。
还有阴离子进入间隙，阳离子进入间隙等（见间隙固溶体），具体哪种 视情形而定，或者看实验证明。
形成固溶体后对晶体性质的影响
① ② ③ ④
对物理性质的影响 晶胞参数 电性能 光学性能 机械性能 固溶强化作用 活化晶格 稳定晶格，阻止晶型转变
固溶体的研究方法？ 固溶体类型的实验判断？
2.9 非化学计量化合物
1 6
2.阳离子间隙型 Zn1+xO：看成ZnO与Zn2O构成的固溶体 载流子类型：n型 缺陷反应为：
ZnO Zni e 1 O2 2