固体物理晶体缺陷研究共23页
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。
固体物理中的晶体缺陷
固体物理中的晶体缺陷在固体物理研究中，晶体缺陷是一个非常重要的课题。
晶体是由周期性排列的原子、分子或离子构成的固体，而晶体缺陷则是指晶体中的缺陷点、线和面。
这些缺陷对于晶体的性质和行为产生了显著的影响。
本文将从晶体缺陷的分类、形成机制以及对物性的影响等方面进行探讨。
一、晶体缺陷的分类晶体缺陷根据其维度可以分为点缺陷、线缺陷和面缺陷。
点缺陷是指晶体中存在的原子位置的空位（vacancy）和替位（substitution）缺陷。
线缺陷包括位错（dislocation）、脆性裂纹（brittle fracture）、折叠失配（folding fault）等。
面缺陷主要是晶界（grain boundary）、孪晶（twin boundary）和表面（surface）等。
二、晶体缺陷的形成机制晶体缺陷的形成机制多种多样。
其中，点缺陷的形成主要包括热激活、辐射效应、化学效应等。
线缺陷的形成可以通过应力场的作用和晶体生长过程中的失配等方式。
而面缺陷的形成则与晶体生长过程中的界面结构和生长条件等有关。
三、晶体缺陷对物性的影响晶体缺陷对物性的影响是多方面的。
首先，点缺陷会降低晶体的密度和导致电子、离子、空穴和电子空穴对的迁移，从而影响晶体的电导率。
其次，线缺陷会导致晶体的力学性能发生变化，影响其强度、塑性和断裂行为。
此外，面缺陷会引起界面的能量变化，影响晶体的界面迁移和晶粒生长等过程。
晶体缺陷还对光学性质、磁性和热导率等方面有影响。
四、应用和研究进展晶体缺陷的研究不仅对于基础科学的发展具有重要意义，而且在材料科学、电子器件、能源领域等方面也有广泛的应用前景。
例如，通过控制晶体缺陷可以改善材料的导电性能、光学性能和力学强度，从而提高材料的性能。
近年来，一些新型晶体缺陷的发现和调控方法的研究也取得了重要进展，为材料设计和制备提供了新的思路。
总结起来，固体物理中的晶体缺陷是一个复杂而又引人注目的研究领域。
通过对晶体缺陷的分类、形成机制以及对物性的影响的研究，我们可以更好地理解晶体的性质和行为，并为材料科学和其他相关领域的发展提供重要参考。
固体物理中的晶体缺陷报告
固体物理中的晶体缺陷学院：化学化工与生物工程学院班级：生物1301学号： 131030114姓名：李丹丹固体物理中的晶体缺陷1.国内外进展及研究意义1.1 国内外对晶体缺陷的研究现状和发展动态19世纪中叶布拉非发展了空间点阵，概括了点阵周期性的特征，1912年劳厄的晶体X 射线衍射实验成功后，证实了晶体中原子作规则排列，从理想晶体结构出发，人们发展了离子晶体的点阵理论和金属的电子理论，成功的计算了离子晶体的结合能，对于金属晶体的原子键能也有了初步了了解，并很好的解释了金属的电学性质。
随后人们又认识到了晶体中原子并非静止排列，它在晶体中的平衡阵点位置作震动，甚至在绝对零度也不是凝固不动的，即还有所谓零点能的作用，从这个理论出发建立了点阵震动理论，从而建立了固体的比热理论。
在20世纪20年代以后人们就发现晶体的许多性质很难用理想晶体结构来解释，提出晶体中有许多原子可能偏离规则排列，即存在有缺陷，并企图用此来解释许多用理想晶体结构无法解释的晶体性质。
W.Schottky为了解释离子晶体的电介电导率问题，提出在晶体中可能由于热起伏而产生填隙离子和空位，而且发现食盐的电介导电率与这些缺陷的数目有关。
随后为了解决晶体屈服强度的实验数据值与理论估计之间的巨大差别，又引进了位错这一晶体缺陷。
今年来人们对晶体中各种缺陷有了更深刻的认识，建立了晶体缺陷理论。
理想晶体在实际中并不存在。
实际晶体或多或少存在各种杂质和缺陷。
国内外学者通过使用显微镜的对物质性能与缺陷的关系研究得相当多，也在一定意义上取得了可喜的进展。
1.2 晶体缺陷的研究意义在晶体的生长及形成过程中，由于温度、压力、介质组分浓度等外界环境中各种复杂因素变化及质点热运动或受应力作用等其他条件的不同程度的影响会使粒子的排列并不完整和规则，可能存在空位、间隙粒子、位错、镶嵌结构等而偏离完整周期性点阵结构，形成偏离理想晶体结构的区域，我们称这样的区域为晶体缺陷，它们可以在晶格内迁移，以至消失，同时也可产生新的晶体缺陷。
固体物理 第四章 晶体中的缺陷
实际 理论
位错滑移
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 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 ，畸变后的原子将在滑 τ 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。
3、堆积层错
就是指正常堆垛顺序中引入不正常顺序堆 垛的原子面而产生的一类面缺陷。
抽出型层错
插入型层错
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：
掺入一个硼原子 105 个硅原子 电导率增加 103倍
红宝石激光器中：
刚玉晶体 Al2O3 形成发光中心 铬离子 Cr
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 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 势能ε约为几个eV
掺入微量
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。 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。
固体物理4章晶体缺陷
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二、色心
定义：色心是一种非化学计量比引起的空位缺陷。 特征：该空位能够吸收可见光使原来透明的晶体出现颜色，因而称
它们为色心,最简单的色心是F心(来自德语”Farbe”,颜色)。
F心：是离子晶体中的一个负离子空位束缚一个电子构成的点缺陷。 形成过程：是碱卤晶体在相应的过量碱金属蒸汽中加热，例如：
NaCl晶体在Na蒸汽中加热后呈黄色；KCl晶体在K蒸汽中加热后呈紫 色；LiF在Li蒸汽中加热后呈粉红色。
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F心的着色原理：在于加热过程中过量的碱金属原子进入晶体占据碱
金属格点位置。晶体为保持电中性，会产生相应数目的负离子空位。同时 ，处于格点的碱金属原子被电离，失去的电子被带正电的负离子空位所束 缚，从而在空位附近形成F心，如图4-3，F心可以看成是束缚在负离子空 位处的一种“电子陷阱”。
V心：与F心相对的色心，又称空穴色心பைடு நூலகம்是离子晶体的负电中心束缚
一个带正电的“空穴”所组成的点缺陷。
形成过程：当碱卤晶体在过量的卤素蒸汽中加热后，由于大量的卤素
进入晶体，为保持电中性，在晶体中出现了正离子空位,形成负电中心。 这种负电中心可以束缚一个带正电的“空穴”所组成的体系称为V心。
V心和F心在结构上是碱卤晶体中两种最简单的缺陷。在有色心存在的晶 体中，A、B两种元素的比例已偏离严格的化学计量比。所以色心也是一 种非化学计量引起的缺陷。
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点缺陷类型示意图
(a)Frenkel缺陷； (b) Schottky缺陷； (c)反Schottky缺陷
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（4）空位的形成能
第3章 晶态固体的结构缺陷
VNa
如果取出一个Cl- ，相当于晶格中多了一个正电荷
(Na+ ) ，所形成的空位记为 ：
VCl
25
(2) 填隙子
以下标“ i ‖表示。
Mi ：表示M原子进入间隙位臵； Xi ：表示X原子进入间隙位臵。 (3)错位质点 MX ： 表示M质点占据了本应是X质点正常所处 的平衡 位臵。
XM：表示Ｘ质点占据了本应是Ｍ质点正常所处的
③ 特点
杂质缺陷的浓度与温度无关，只决定于溶解度。 ④ 来源 因原料不纯而存在，或有意识引入(为改善晶体的 某种性能)。
20
(3) 电荷缺陷（电子和空穴）
电荷缺陷是指质点排列的周期性未受破坏，但因电 子或空穴的生成，使固体中的周期性势场畸变而产生的
缺陷。
例如， T＞0 时非金属固体中 因电子热激发而成对产生的导带电 子和价带空穴便是电荷缺陷。 根据能带理论，T = 0 K时， 非金属固体的价带完全被占据， 而导带没有电子。
35
书写缺陷反应式举例
(1)CaCl2溶解在KCl中的三种可能情形如下：
CaCl2 KCl Ca VK 2ClCl K
(1 1)
CaCl2 KCl Ca Cl ClCl K i
CaCl2 KCl Ca 2VK 2ClCl i
的认识，同时也使我们有可能通过控制缺陷的形成来调控固体材料 的性能，如半导体材料通过引入某些类型的杂质或缺陷可使之获得
导带电子或价带空穴，从而大大增强半导体的导电性。因此，晶体
缺陷即是过去和当前材料研究的重要课题，也是现在和将来新材料 研究开发的关键理论基础。
6
二、缺陷的类型
常按其在空间的展布 特征分为： (1) 点缺陷(零维缺陷) (2) 线缺陷(一维缺陷)
固体物理第四章 晶体的缺陷与缺陷运动
τ2——填隙原子跳跃一次所需等待的时间。（ 2
1 ) P2
下面的任务是：看以上的这些量与那些物理量有关。
首先讨论P2 , τ
2
：
设势垒高度为E2，根据玻尔兹曼统计，在温度为T
时，粒子具有能量E2的几率与
exp(
E2 ) k BT
点缺陷还可以改变离子晶体的颜色 。 离子晶体在碱金属蒸气中加热产生间隙原子。比较大数 量的点缺陷会改变能级，使第一激发态与基态的能级差减小， 从而使某种频率的可见光可以被吸收，即改变了离子晶体的
颜色。这种缺陷称为色心。（P150）
3）极化子 当一个电子被引入到离子晶体时，它会使原来的周期 性势场发生畸变，这个畸变区域构成点缺陷。 由于这种局部畸变会随电子从晶体的一处移到另一处， 所以把携带着周围晶格畸变的电子看成是一个准粒子，称为 极化子。
由波尔兹曼公式：
S kB ln W
W——体系的微观状态数
平衡时，自由能达到极小值，
F ( )T 0 n1
假设：
1）空位的出现并不影响原来的振动状态； （不考虑杂质膜）
2）产生每一个空位所需能量相等。
（两个空位出现在一 起的几率很小） 产生n1 个空位后，F的变化量为
F n1u1 kBT (lnW ln W0 )
2）替位式杂质原子（离子）和填隙式杂质原子（离子）
在低温下离子晶体的导电性可以用掺杂的办法来提高。 如： NaCl是单价离子晶体，如果用双价杂质（例如：钙离子） 进行掺杂，实验证明掺杂后的离子晶体的导电性与钙离 子的浓度成正比。
原因是为保持电中性，对应于每一个钙离子，离子晶体 中会另外产生一个空位。空位在电场下移动而产生电流。 这是点缺陷的一种运用。
浅谈固体物理中的晶体缺陷
浅谈固体物理中的晶体缺陷20074051024 刘珊珊实际晶体或多或少存在各种杂质和缺陷。
依照传统的分类有：点缺陷、线缺陷（见位错）和面缺陷。
它们对固体的物性以及功能材料的技术性能都起重要的作用。
半导体的电学、发光学等性质依赖于其中的杂质和缺陷。
大规模集成电路的工艺中控制(和利用)杂质和缺陷是极为重要的。
目前人们感兴趣的有深能级杂质、发光中心机理、无辐射跃迁的微观过程等。
H.A.贝特在1929年用群论方法分析晶体中杂质离子的电子能级的分裂，开辟了晶体场的新领域。
数十年来在这领域积累了大量的研究成果，为顺磁共振技术、微波激射放大器、固体激光器的出现准备了基础。
金属中的杂质对其物理性质有广泛的影响。
最为突出的是磁性杂质对金属低温下物性的影响，这个现象称为近藤效应，因为近藤淳在1946年首先提出说明这现象的理论。
磁杂质对超导体的性质有显著影响，会降低其临界温度。
在特殊物质（例如,LaAl2、CoAl2）中,近藤杂质可使这合金在温度T吤进入超导电状态又于T扖离开这个状态。
此外,离子晶体中的缺陷对色心现象和电导过程占有决定性的地位。
Я.И.夫伦克耳对金属强度的理论值作了估计，远大于实际的强度，这促使人们去设想金属中存在某种容易滑移的线缺陷。
1934年G.I.泰勒、E.奥罗万和M.波拉尼独立地提出刃位错理论说明金属强度。
F.C.夫兰克在1944年根据实验观察结果提出螺位错促进晶体生长的理论，后来，人们利用电子显微术直接看到位错的运动。
位错以及它同杂质和缺陷的互作用对晶体的力学、电学性质有重大影响。
甚至，晶体熔化也可能同位错的大量产生有关。
随着晶体生长技术发展，人们又发现了层错──一种面缺陷。
硬铁磁体、硬超导体、高强度金属等材料的功能虽然很不同,但其技术性能之所以强或硬,却都依赖于材料中一种缺陷的运动。
在硬铁磁体中这缺陷是磁畴壁（面缺陷），在超导体中它是量子磁通线，在高强度金属中它是位错线，采取适当工艺使这些缺陷在材料的微结构上被钉住不动，有益于提高其技术性能。
固体中的缺陷
本章重点 由等同的原子或原子集团，按照一定的点阵结构，在三维方向构成一个规整的、
周期性的原子序列，这样所形成的晶体是一种理想的完善的晶体。这种理想的晶体 不仅在自然界不存在，也不可能用人工的方法制得，而且在技术上也没有什么用处。 除了可以作为理论模型之外，在固体物理和固体化学中很少有人有兴趣去研究它。 相反，偏离理想的不完善的晶体，一些结构和组成中存在有某些缺陷的晶体，倒是 具有重要的理论意义和实际价值。因为固相中的化学反应只有通过缺陷的运动(扩散) 才能发生和进行，晶体中的缺陷决定着固体物质的化学活性，而且各种缺陷还规定 了晶体的光学、电学、磁学、声学、力学和热学等方面的性质，可以使晶体构成重 要的技术材科。可以说现在几乎没有哪一个工业技术部门或者哪一个基础理论研究 领域，不涉及到固体缺陷的理论研究和应用研究的问题。可以认为缺陷的化学是固 体化学的核心问题。
透射电子显微镜观测合金薄膜时可以直 接看到位错的存在。金属材料中的位错
图 3.3 具有螺位错的点阵图
是决定金属力学性质的基本因素。
(3)面缺陷，或者二维缺陷 用金相显微镜观察经过磨光并浸蚀过的金属表面，
可以看出它是由许多小的晶粒组成的。每一个晶粒是一个单晶体，许多单晶颗粒体
组成的固体叫做多晶体。多晶体中不同取向的晶粒之间的界面称之为晶粒间界，是
最早发现的一种非整比化合物是方铁矿 FeO，在加热方铁矿时，可能失去部分 的正离子，同时带走两个电子，从而在原来正离子的格位处便形成了一个正空位缺
陷
V Fe
。又如过量的
Zn
原子可以溶解在
ZnO
中，进入晶格的间隙位置，形成间隙离
子缺陷
Zn
i
，同时它把两个电子松弛地束缚在其周围，缺陷的表示式可以写作(
固体物理(第9课)晶体缺陷
3
<10
14
10 ~10
14
16
10 ~10
-
16
19
>1019
N型 P型
ν π
轻掺杂N
N P
重掺杂N
+
轻掺杂P-
重掺杂P+
Saphire(蓝宝石,Al Saphire(蓝宝石,Al2O3)
3. 辐照缺陷
1.5 Mev中子 撞击晶格中的原子，形成初级原子，
能量为105 eV（铜），假设初级原子在进一步撞击其 它原子时，每个原子的位移能为25eV，则能够撞出 4000个铜原子。 快中子累积强度～1023/m2 严重→空洞，大小约为100Å 撞出的铜原子数约为 4×1028/m3，约是固体中铜原子的 1%
(−
ε
k BT
)
2 扩散的微观机制 (1) 空位机制（演示） 空位机制（演示） (2) 间隙机制（演示） 间隙机制（演示） (3) 复合机制（演示） 复合机制（演示） (4) 易位机制（演示） 易位机制（演示）
返回
扩散的微观机制（ 扩散的微观机制（图）
1. 空位机制
2. 间隙机制
3. 复合机制
4.4.易位机制 易位机制
设晶体中有nn个格点n个空位每个空位的形成能系统自由能的改变导致熵的增加量的排列方式为个格点因而n个原子整个晶体包含其内能增加晶体中存在n个空位时晶体中的空位数为于是有与n有关平衡条件且只有f根据自由能取极小值的替代式杂质容易产生e增加小组态熵s的变化s相当大引起自由能降低
第4章 晶体缺陷 章
晶体缺陷：对晶体理想完整结构的偏离。 晶体缺陷：对晶体理想完整结构的偏离。 半导体科学技术的发展与杂质/ 半导体科学技术的发展与杂质/缺陷态的研究紧 密相联。 密相联。 利用缺陷/杂质理论制备多种半导体。 利用缺陷/杂质理论制备多种半导体。
固体物理第四章_晶体的缺陷
A
未滑动的晶面
EC
F
B
滑动前的晶格
D
刃位错的晶格
刃位错： F原子链。 EF是晶体的挤压区与未挤压区的分界线：
F以下原子间距变大，原子间有较强吸引力；
F的左右晶格被挤压，原子间的排斥力增大。
16
例：实际晶体的小角倾斜 晶体由倾斜角很小的两部分晶体结合而成。为了使 结合部的原子尽可能地规则排列，就得每隔一定距 离多生长出一层原子面，这些多生长出来的半截原 子面的顶端原子链就是刃错位。
添加Fe、Co、Mn等“硬性”添加物后，这些 原子占据Zr或Ti的格点，显著提高该铁电材料的 机械品质因数。
9
4、色心 能吸收光的点缺陷
完善的卤化碱晶体是无色透明的。众多的 色心缺陷能使晶体呈现一定的颜色。
例如：F心，把卤化碱晶体在相应的碱金 属蒸气中加热，然后骤冷到室温，则原来透明 的晶体就出现了颜色。
实验临界切应力比理 论值小的根源
30
2、螺位错的滑移 螺位错的滑移与刃位错的滑移相类似，只是螺位的 滑移方向与晶体所受切应力的方向相垂直。
BC原子 受到向 下的拉 力
螺位 错线 滑移
BC列原子受到右边原子的下拉力，BC原子有向下 位移的趋势，BC原子下移一定的距离； 使BC 变为螺错位。
31
二、螺位错与晶体生长
4
§4.1 晶体缺陷的基本类型
本章主要讨论单晶的缺陷：多晶体是由许多小晶粒 构成，每个晶粒可看成是小单晶。晶粒间界不仅原 子排列混乱，而且是杂质聚集的地方。因此晶粒间 界是一种性质复杂的晶体缺陷。
一、点缺陷
晶体中的填隙原子、空位、俘获电子的空位、杂质 原子等。这些缺陷约占一个原子尺寸，引起晶格周 期性在一到几个原胞范围内发生紊乱。
固体物理 第三章_ 晶体中的缺陷
(3) 位错的一些性质 1. 位错是由于晶体中部分原子排列的错乱 而形成的一种线性缺陷，但并不是几何 学上所定义的线，而近乎是有一定宽度 的”管道”。 2. 在晶体中，位错一般形成一闭合环线。 位错线只能终止在晶体表面或晶粒间界 上，不能终止在晶体的内部。
固体物理第三章
位错凝结和位错环
固体物理第三章
原子面密 度最大， 面间键密 度最小的 是 {111} 双 原子面间。
除了由范性形变可产生位错以外，晶格的 失配也可以引起位错，例如：同一晶体 中若其一部分掺入数量较多的外来杂质， 则这部分晶体的晶格常数将有所改变。 在掺杂和未掺杂的两部分晶体的界面上， 将产生一定数量的位错。 晶格常数不同，但结构和取向相同的两种 不同晶体的界面附近也可存在失配位错， 在许多异质结种都存在。
固体物理第三章
1. 热缺陷：由热起伏的原因所产生的空位和填隙原 子，又叫热缺陷，它们的产生与温度直接有关
(a) 肖脱基缺陷
(b)弗伦克耳缺陷
(c) 间隙原子
固体物理第三章
（ a ）肖特基缺陷 (vacancy) ：原子脱离正常格点 移动到晶体表面的正常位置，在原子格点位置 留下空位，称为肖特基缺陷。 （b）弗伦克尔缺陷(Frenkel defect)，原子脱离格 点后，形成一个间隙原子和一个空位。称为弗 伦克尔缺陷。 （c）间隙原子(interstitial)：如果一个原子从正常 表面位置挤进完整晶格中的间隙位置则称为间 隙原子，由于原子已经排列在各个格点上，为 了容纳间隙原子，其周围的原子必定受到相当 大的挤压。
空位团的崩塌：晶体中 存在过饱和空位，倾向 于在表面能比较低的晶 面凝聚成片状集合体， 片状空位团在应力作用 下，崩塌后便形成一位 错环，这便是称作棱柱 位错的一种刃型位错环。 固体物理第三章
固体物理 12-01晶体的缺陷
大 arrangement of the surrounding atoms.
学
Solid State Physics
固 体 物 理
(a)空位
(b)杂质质点
(c)间隙质点
西
南 科
晶体中的点缺陷
技
大
学
Solid State Physics
固
体
物 理
热缺陷
定义：热缺陷亦称为本征缺陷，是指由热
起伏的原因所产生的空位或间隙质点
化学计量化合物半导体，又分为金属离子过剩
西 南
（n型）（包括负离子缺位和间隙正离子）和负
科
技
离子过剩（p型）（正离子缺位和间隙负离子）
大
学
Solid State Physics
固 体 物
理 一、由于负离子缺位，使金属离子过剩
TiO2、ZrO2会产生这种缺陷，分子式
可写为TiO2-x， ZrO2-x，产生原因是环境
科
技 大
成这种缺陷的缘故。
学
Solid State Physics
固 体 物 理
e
西 南
科 由于间隙正离子，使金属离子过剩型结构
技 大 学
Solid State Physics
固 体
物 三、由于存在间隙负离子，使负离子
理
过剩
具有这种缺陷的结构如图所示。目前只发现
UO2+x，可以看作U2O8在UO2中的固溶体，具有 这样的缺陷。当在晶格中存在间隙负离子时，为
理
为在缺陷区域保持电中性，过剩的电子或过剩正电
荷(电子空穴)就处在缺陷的位置上。
在点缺陷上的电荷，具有一系列分离的允许能级。
这些允许能级相当于在可见光谱区域的光子能级，
固体物理：4.1 晶体缺陷的主要类型
点缺陷对晶体材料性能的影响
• 3. 比热容 形成点缺陷需向晶体提供附加的能量(空位生成焓)， 因而引起附加比热容。 4. 其他 此外，点缺陷还影响其他物理性质，如扩散系数、 介电常数等。在碱金属的卤化物中，点缺陷称为 色心，会使晶体呈现色彩。点缺陷对金属力学性 能的影响较小，它只通过与位错的交互作用，阻 碍位错运动而使晶体强化。但在高能粒子辐照的 情形下，由于形成大量的点缺陷而能引起晶体显 著硬化和脆化（辐照硬化）。
肖特基缺陷
当晶体中的原子脱离格点位置后不在晶体内部形成填隙原 子，而是占据晶体表面的一个正常位置，并在原来的格点位置 产生一个空位，这种缺陷称为肖特基缺陷。
晶体表面上的原子运动到晶体内部的间隙位置. 这时晶体内 部只有填隙原子. 这种情况称为填隙原子缺陷。
构成填隙原子的缺陷时，必须使原子挤入晶格的间隙位置， 所需的能量要比造成空位的能量大些，所以对于大多数的情形， 特别是在温度不太高时，肖特基缺陷存在的可能性大于弗仑克尔 缺陷。
化学缺陷： 由于掺入杂质或同位素，或者化学 配比偏离理想情况的化合物晶体中 的缺陷，如杂质，色心等。
在晶体中，缺陷的种类很多，产生缺陷的机制也比较复杂。 按缺陷的几何形状和涉及的范围，缺陷分类为：
点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷等。
4.1.1 点缺陷
点缺陷：它是在格点附近一个或几个晶格常量范围内, 空间 三位线度都很小的一种晶格缺陷，如空位、填隙原子、杂质等。
由于空位和填隙原子的数目与温度有直接的关系，或者说 与原子的热振动有关，因此称他们为热缺陷。
热缺陷
弗仑克尔缺陷
肖特基缺陷 间隙原子
１．弗仑克尔缺陷、肖特基缺陷和填隙原子缺陷
弗仑克尔缺陷 当晶格中的原子脱离格点后，移到间隙位置形成填隙原 子时，在原来的格点位置处产生一个空位，填隙原子和空位成 对出现，这种缺陷称为弗仑克尔缺陷。