电子陶瓷材料PPT课件
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OO X VO ••2e1 2O2(g)
C(s a ) O Z 2 r O C Z '' r a O O V O • •
⑦正离子填隙非化学计量化合物M1+yX 充分反应
M N XXX X M i•• 2e1 2X 2(g)
如：Zn1+yO在一定条件下以 Zni˙ 缺陷为主时，呈n型半导体
M X M X X X M i•• X i
⑤正离子缺位的非化学计量化合物M1-yX(Ni1-yO, Cu2-yO, Mn1-yO等) 1 2X2(g) VM X XX X
VM X VM h• 正离子缺位 一价电离
VM VM h• 正离子缺位 二价电离
如果缺陷反应充分，则有
1 2X2(g) V M 2h•XX X h • 为多子，p型半导体
L 2 O i N 1 x O i 2 L iN 2 ih • O O X
可见，掺Li+后，空穴浓度p要增大，NiO的电导率上升。
若在NiO中掺杂微量Fe3+，Cr3+等三价金属离子。
F 2 O 3 e N 1 x O i 2 F N • e i 2 e 3 O O X
可见，掺入Fe3+后，电子浓度补偿了空穴浓度，
号置
Fe
• Ni
缺陷种类与有效电荷
缺陷种类 高价离子置换 低价离子置换 金属离子空位 非金属离子空位 金属离子填隙 非金属离子填隙
有效电荷 + + + -
二.晶体缺陷的研究：
1)结晶学观点出发，研究缺陷存在的形态 2)热力学立场出发，研究缺陷生成的理论
依据
LDK准玻化璃学技平衡术法指标
原理——将缺陷生成看作是一种化学反应 缺陷反应方程式的规则： (1)质量关系——原子数平衡，方程两边各种原 子(或离子)的个数必须相等 (2)位置关系——格点数成正确比例，每增加a 个M格点，须增加b个X格点 (3)电荷关系——电荷平衡，方程两边的总有效 电荷必须相同(晶体的电中性)
电阻、热释电性、介 陶
电学性质 电常数、压电性、电 光效应、离子导电性
瓷
、绝缘破坏强度
的
性
热学性质
熔点、比热、热导 率、热膨胀系数
质
()
组
晶格的各向异
成
性和取向
化学性质 耐酸、碱、电化学
腐蚀，与金属的亲
合性
缺LT陷CC的基分板类优：点
瞬时 缺陷
声子
电子 缺陷
电子 空穴
点缺陷
线 缺 面 缺 体缺陷
陷
eh• 0
使NiO电导率下降。
2)气氛对电导的影响：由上例
1 2O2 V N i 2h•O O X得:
K1
[VN i ]P 2
1
PO22
根据电中性条件：P2[VN ]i
因而
[Vwenku.baidu.com i]
1P 2
代入上式：
K1
1 P3 2
1
P
O
2 2
1
PKPO62
又因空穴电导率 p pqp
穴迁移率
q- 电 子 电 量 ， p- 空
⑨电子与空穴复合
eh• 0
三．用质量作用定律表述缺陷浓度
质量作用定律——在一定温度下，化学反应达到平衡 时，正反两方面参加反应的组元浓度乘积之比保持为 常数:
如：aA+bBcC+dD
平衡常数 K [C]c [D]d [A]a [B]b
将质量作用定律应用于缺陷反应式时，用[ ]表示某 种缺陷的浓度，用n、p分别表示电子、空穴的浓度， 气体的分压表示该气体的浓度。
如：
O O X V O ••2e1 2O 2(g)
K
[VO••
]n2
P1 2 O2
[OOX ]
或
K[VO ••]n2PO122
应用示例：
1)掺杂对电导的影响： 通常NiO为具有Ni缺位的非化学计量氧化物，p型半导体
1 2O2(g) VN i 2h•OO X
在NiO中掺杂微量的Li+, Na+，K+等一价金属离子
缺陷反应方程式应用示例:
①具有Frankel缺陷的化学计量化合物M+2X-2：
MM X M i••VM
②具有反Frankel缺陷的化学计量化合物M+2X-2
：
XX XXiVX ••
③具有Schottky缺陷的化学计量化合物M+2X-2：
(无缺陷) 0VM VX ••
缺陷反应方程式应用示例
④具有反Schottky缺陷的化学计量化合物M+2X-2：
（纯-Al2O3白宝石） 结构中Cr3+的存在能产生受激辐射，固体激光材料
固溶体中不同组分的结构基元是以原子尺度混合的 ，这种混合是以不破坏主晶相结构为前提的。
陷
晶格空位 格点间填 隙原子 置换原子
位错
晶体 表面 晶界 相界 层错
空洞 缺陷簇 夹杂物
点缺陷的标记法：Kroger-Vink Notation:
缺陷种类
MXV
金非晶 属金格 元属空 素元位 符素 号符
号
缺陷有效电荷 缺陷位置
· 正电荷 ，负电荷 ×电中性
MX I 金非格 属金点 元属间 素元填 符素隙 号符位
1
1
pKq pPO 62 KO p62P
表明：NiO的电导率随烧结或热处理过程中的氧分压 的增加
按1/6次方的指数规律增加。可从此关系反证 缺陷属何种类，进而推知导电机构。
四.固溶体的概念及其分类
固溶体——固态条件下，一种组分内溶解了其它组 分而形成的单一、均匀的晶态固体。 如：红宝石：-Al2O3+0.5~2% Cr2O3
2 L(is )C M 2 l g2 C L M 'l iM g i• • 2 g C Cll
⑧负离子填隙非化学计量化合物MX1+y 充分反应
12X2(g)Xi2h•
如VO1+y，UO2+y在一定条件下，氧过量缺陷为主，呈p型半 导体
Zr 2(sO ) Y 2 O 3 ZY • r2 3O O1 2O i''
电子陶瓷材料
第二章 陶瓷的晶体缺陷
一.决定陶瓷性能的结构因素
微结构
机械性质 硬度、强度、比重、 弹性率、断裂韧性
陶
超微结构
(晶粒、晶界级别)
瓷
多晶体
的 构 成 因 素
(原子离子级别)
原子的种类，
元素原 子 的 金 属 性
和非金属性， 化学结合的方 式，结晶结构
晶粒直径 气孔量(晶界、晶 粒内) 晶界(分凝、析出 相) 缺陷(裂纹、位错) 表面状态(伤痕等)
M gO
Al2O 3(s) 2AlM . gVM "g3O 0
⑥非化学计量比化合物MX1-y(负离子缺位)，如TiO2-y,WO2-y 等，
XX X VXX 1 2X2(g)
VX XVX • e VX • VX ••e
若缺陷反应充分，则有： XX X V X ••2e1 2X2(g) e为多子，n型半导体 如BaTiO3在还原性气氛条件下烧结：
C(s a ) O Z 2 r O C Z '' r a O O V O • •
⑦正离子填隙非化学计量化合物M1+yX 充分反应
M N XXX X M i•• 2e1 2X 2(g)
如：Zn1+yO在一定条件下以 Zni˙ 缺陷为主时，呈n型半导体
M X M X X X M i•• X i
⑤正离子缺位的非化学计量化合物M1-yX(Ni1-yO, Cu2-yO, Mn1-yO等) 1 2X2(g) VM X XX X
VM X VM h• 正离子缺位 一价电离
VM VM h• 正离子缺位 二价电离
如果缺陷反应充分，则有
1 2X2(g) V M 2h•XX X h • 为多子，p型半导体
L 2 O i N 1 x O i 2 L iN 2 ih • O O X
可见，掺Li+后，空穴浓度p要增大，NiO的电导率上升。
若在NiO中掺杂微量Fe3+，Cr3+等三价金属离子。
F 2 O 3 e N 1 x O i 2 F N • e i 2 e 3 O O X
可见，掺入Fe3+后，电子浓度补偿了空穴浓度，
号置
Fe
• Ni
缺陷种类与有效电荷
缺陷种类 高价离子置换 低价离子置换 金属离子空位 非金属离子空位 金属离子填隙 非金属离子填隙
有效电荷 + + + -
二.晶体缺陷的研究：
1)结晶学观点出发，研究缺陷存在的形态 2)热力学立场出发，研究缺陷生成的理论
依据
LDK准玻化璃学技平衡术法指标
原理——将缺陷生成看作是一种化学反应 缺陷反应方程式的规则： (1)质量关系——原子数平衡，方程两边各种原 子(或离子)的个数必须相等 (2)位置关系——格点数成正确比例，每增加a 个M格点，须增加b个X格点 (3)电荷关系——电荷平衡，方程两边的总有效 电荷必须相同(晶体的电中性)
电阻、热释电性、介 陶
电学性质 电常数、压电性、电 光效应、离子导电性
瓷
、绝缘破坏强度
的
性
热学性质
熔点、比热、热导 率、热膨胀系数
质
()
组
晶格的各向异
成
性和取向
化学性质 耐酸、碱、电化学
腐蚀，与金属的亲
合性
缺LT陷CC的基分板类优：点
瞬时 缺陷
声子
电子 缺陷
电子 空穴
点缺陷
线 缺 面 缺 体缺陷
陷
eh• 0
使NiO电导率下降。
2)气氛对电导的影响：由上例
1 2O2 V N i 2h•O O X得:
K1
[VN i ]P 2
1
PO22
根据电中性条件：P2[VN ]i
因而
[Vwenku.baidu.com i]
1P 2
代入上式：
K1
1 P3 2
1
P
O
2 2
1
PKPO62
又因空穴电导率 p pqp
穴迁移率
q- 电 子 电 量 ， p- 空
⑨电子与空穴复合
eh• 0
三．用质量作用定律表述缺陷浓度
质量作用定律——在一定温度下，化学反应达到平衡 时，正反两方面参加反应的组元浓度乘积之比保持为 常数:
如：aA+bBcC+dD
平衡常数 K [C]c [D]d [A]a [B]b
将质量作用定律应用于缺陷反应式时，用[ ]表示某 种缺陷的浓度，用n、p分别表示电子、空穴的浓度， 气体的分压表示该气体的浓度。
如：
O O X V O ••2e1 2O 2(g)
K
[VO••
]n2
P1 2 O2
[OOX ]
或
K[VO ••]n2PO122
应用示例：
1)掺杂对电导的影响： 通常NiO为具有Ni缺位的非化学计量氧化物，p型半导体
1 2O2(g) VN i 2h•OO X
在NiO中掺杂微量的Li+, Na+，K+等一价金属离子
缺陷反应方程式应用示例:
①具有Frankel缺陷的化学计量化合物M+2X-2：
MM X M i••VM
②具有反Frankel缺陷的化学计量化合物M+2X-2
：
XX XXiVX ••
③具有Schottky缺陷的化学计量化合物M+2X-2：
(无缺陷) 0VM VX ••
缺陷反应方程式应用示例
④具有反Schottky缺陷的化学计量化合物M+2X-2：
（纯-Al2O3白宝石） 结构中Cr3+的存在能产生受激辐射，固体激光材料
固溶体中不同组分的结构基元是以原子尺度混合的 ，这种混合是以不破坏主晶相结构为前提的。
陷
晶格空位 格点间填 隙原子 置换原子
位错
晶体 表面 晶界 相界 层错
空洞 缺陷簇 夹杂物
点缺陷的标记法：Kroger-Vink Notation:
缺陷种类
MXV
金非晶 属金格 元属空 素元位 符素 号符
号
缺陷有效电荷 缺陷位置
· 正电荷 ，负电荷 ×电中性
MX I 金非格 属金点 元属间 素元填 符素隙 号符位
1
1
pKq pPO 62 KO p62P
表明：NiO的电导率随烧结或热处理过程中的氧分压 的增加
按1/6次方的指数规律增加。可从此关系反证 缺陷属何种类，进而推知导电机构。
四.固溶体的概念及其分类
固溶体——固态条件下，一种组分内溶解了其它组 分而形成的单一、均匀的晶态固体。 如：红宝石：-Al2O3+0.5~2% Cr2O3
2 L(is )C M 2 l g2 C L M 'l iM g i• • 2 g C Cll
⑧负离子填隙非化学计量化合物MX1+y 充分反应
12X2(g)Xi2h•
如VO1+y，UO2+y在一定条件下，氧过量缺陷为主，呈p型半 导体
Zr 2(sO ) Y 2 O 3 ZY • r2 3O O1 2O i''
电子陶瓷材料
第二章 陶瓷的晶体缺陷
一.决定陶瓷性能的结构因素
微结构
机械性质 硬度、强度、比重、 弹性率、断裂韧性
陶
超微结构
(晶粒、晶界级别)
瓷
多晶体
的 构 成 因 素
(原子离子级别)
原子的种类，
元素原 子 的 金 属 性
和非金属性， 化学结合的方 式，结晶结构
晶粒直径 气孔量(晶界、晶 粒内) 晶界(分凝、析出 相) 缺陷(裂纹、位错) 表面状态(伤痕等)
M gO
Al2O 3(s) 2AlM . gVM "g3O 0
⑥非化学计量比化合物MX1-y(负离子缺位)，如TiO2-y,WO2-y 等，
XX X VXX 1 2X2(g)
VX XVX • e VX • VX ••e
若缺陷反应充分，则有： XX X V X ••2e1 2X2(g) e为多子，n型半导体 如BaTiO3在还原性气氛条件下烧结：