晶体缺陷总结
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其优点是得到单纯的过饱和空位,而且还可以从过 饱和空位的消失过程来研究空位的移动能。
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(2) 塑性变形法
在塑性变形时将产生点缺陷,同时也产生大量的位错, 而间隙原子是否增加尚未察觉到。
缺点是在室温附近进行塑性变形时,空位和位错都增 加,而且位错增加很显著,对晶体性能的影响很大, 因此不 适合用于研究空位的行为。
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15
16
三、点缺陷的平衡浓度
热力学分析表明,在高于0K的任何温度下，晶体最稳 定的状态是含有一定浓度点缺陷的状态。此浓度称为 点缺陷的平衡浓度。
1. 空位形成能 空位的出现破坏了其周围的结合状态，因而造成局部 能量的升高，由空位的出现而高于没有空位时的那一 部分能量称为“空位形成能”。
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7
晶体缺陷按范围分类:
1. 点缺陷 在三维空间各方向上尺寸都很小,在原子尺 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(晶粒 数量级)，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 Dislocation
3. 面缺陷 在三维空间的两个方向上的尺寸很大(晶粒 数量级)，另外一个方向上的尺寸很小(原子尺寸大 小)的晶体缺陷。
2
多晶体:
实际应用的工程材料 中,那怕是一块尺寸很小 材料，绝大多数包含着许 许多多的小晶体，每个小 晶体的内部，晶格位Baidu Nhomakorabea是 均匀一致的，而各个小晶 体之间，彼此的位向却不 相同。称这种由多个小晶 体组成的晶体结构称之为 “多晶体”。
3
晶粒:多晶体材料中每个小晶体的外形多为不规 则的颗粒状,通常把它们叫做“晶粒”。
晶界:晶粒与晶粒之间的分界面叫“晶粒间界”, 或简称“晶界”。为了适应两晶粒间不同晶格位 向的过渡，在晶界处的原子排列总是不规则的。
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二、多晶体的组织与性能:
组织:多晶相的种类,晶粒的大小、形态、取向和分布， 位错、晶界的状况。
5
性能: 组织敏感的性能:强度、断裂韧度、延性、超塑性 组织不敏感的性能：弹性模量
空位的出现提高了体系的熵值
在一摩尔的晶体中如存在n个空位,晶体中有N=6.023X1023个 晶格位置，这是空位的浓度为x=n/N，系统熵值为:
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设每个空位的形成能为u,空位浓度为x时自由能的 变化为:
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2. 利用过饱和空位浓度求空位形成能Q及空 位移动能QM
• 将金属从高温进行淬火,得到过饱和空位浓度，
定向流动的电子在点缺陷处受到非 平衡力(陷阱),增加了阻力，加速运动提高局部 温度(发热)。
金属的电阻主要来自离子对传导电子
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，因此对
在晶体 内运动的电子发生强烈散射，因此增
加了电阻。
21
对铜和金作精 密的电阻测量, 得出电阻率与 绝对温度之间 的关系曲线如 右图:
伪各向同性:多晶体材料中,尽管每个晶粒内部象单 晶体那样呈现各向异性，每个晶粒在空间取向是随 机分布，大量晶粒的综合作用，整个材料宏观上不 出现各向异性，这个现象称为多晶体的伪各向同性。
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三、晶体中的缺陷概论
晶体缺陷:
即使在每个晶粒的内部,也并不完全象晶体学 中论述的(理想晶体)那样，原子完全呈现周期性 的规则重复的排列。把实际晶体中原子排列与理 想晶体的差别称为晶体缺陷。晶体中的缺陷的数 量相当大，但因原子的数量很多，在晶体中占有 的比例还是很少，材料总体具有晶体的相关性能 特点，而缺陷的数量将给材料的性能带来巨大的 影响。
24
• 结论:由上式可知电阻的增加与空位浓度成比 例关系,当温度增加时，金属晶体除了一般随 原子热振动增加而增加的电阻以外，在接近 熔点时由于空位浓度的增加，也有与空位浓 度成比例的附加电阻的增加。由直线的斜率 可求得空位的形成能Q。
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(3) 高能粒子辐照法
晶体在高能粒子(高速中子、重粒子、电子等) 的辐照下,其原子受到碰撞.原子受到碰撞后,有可 能形成弗仑克耳空位和间隙原子.
13
根据经典碰撞理论,可求出粒子在弹性碰撞后 的 能 量 转 移 的 极 大 值 Em, 即 为
式中 M1为碰撞粒子的质量,EK为碰撞粒子的 动能:M2为被碰撞粒子的质量，其碰撞前动能 为0(忽略热运动)．当M1 << M2的情况下,可写 为
2.3 晶体缺陷
➢材料的实际晶体结构 ➢点缺陷 ➢位错的基本概念 ➢位错的弹性特征 ➢晶体中的界面
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2.3.1 材料的实际晶体结构
一、多晶体结构
单晶体: 一块晶体材料,其内部的
晶体位向完全一致时，即整 个材料是一个晶体，这块晶 体就称之为“单晶体”，实 用材料中如半导体集成电路 用的单晶硅、专门制造的金 须和其他一些供研究用的材 料。
与具有平衡空位浓度的同种金属相比，在物理 性能方面有下列几点不同:
(1)电阻率大; (2)密度小; (3)热容量大。
从而可以通过对高温淬火后的性能进行测定, 求得空位形成能Q; 通过对在淬火后不同时间 的性能变化的测定,求得空位移动能QM。
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四、点缺陷对材料性能的影响
（1）空位对电阻的影响
原理:
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2.3.2 点缺陷
• 点缺陷:在三维空间各方向上尺寸都很小,在原子尺寸大小
的晶体缺陷。
一、点缺陷的类型 :
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) 间隙原子 在晶格非结点位置，往 往是晶格的间隙，出现了多余的原 子。它们可能是同类原子，也可能 是异类原子。
3) 异类原子 在一种类型的原子组成 的晶格中，不同种类的原子替换原 有的原子占有其应有的位置。
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二、点缺陷的形成
弗仑克耳缺陷:原子离开平衡位置进入间隙,形成等量的空位 和间隙原子。 肖特基缺陷：只形成空位不形成间隙原子。
金属: 离子晶体： 1 负离子不能到间隙 2 局部电中性要求
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(1) 淬火法
将晶体加热到高温,形成较高的空位浓度,然后由高 温快速冷却,使空位在冷却过程中来不及消失,就得到 包含有过剩空位的晶体,从而形成非平衡空位浓度.
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• 电阻率与绝对温度之间关系可用下式表 示:ρ=A+BT+CT2+Dexp（-Q/kT） 式中A、B、C及D为系数,前三项为一 般热振动所引起的电阻率增加，第四项 为空位引起的附加电阻率。 即Δρ=Dexp(-Q/kT) 也可以写成 lnΔρ=lnD-Q/kT
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lnΔρ 与1/T的关系曲线如下:
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(2) 塑性变形法
在塑性变形时将产生点缺陷,同时也产生大量的位错, 而间隙原子是否增加尚未察觉到。
缺点是在室温附近进行塑性变形时,空位和位错都增 加,而且位错增加很显著,对晶体性能的影响很大, 因此不 适合用于研究空位的行为。
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三、点缺陷的平衡浓度
热力学分析表明,在高于0K的任何温度下，晶体最稳 定的状态是含有一定浓度点缺陷的状态。此浓度称为 点缺陷的平衡浓度。
1. 空位形成能 空位的出现破坏了其周围的结合状态，因而造成局部 能量的升高，由空位的出现而高于没有空位时的那一 部分能量称为“空位形成能”。
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晶体缺陷按范围分类:
1. 点缺陷 在三维空间各方向上尺寸都很小,在原子尺 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(晶粒 数量级)，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 Dislocation
3. 面缺陷 在三维空间的两个方向上的尺寸很大(晶粒 数量级)，另外一个方向上的尺寸很小(原子尺寸大 小)的晶体缺陷。
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多晶体:
实际应用的工程材料 中,那怕是一块尺寸很小 材料，绝大多数包含着许 许多多的小晶体，每个小 晶体的内部，晶格位Baidu Nhomakorabea是 均匀一致的，而各个小晶 体之间，彼此的位向却不 相同。称这种由多个小晶 体组成的晶体结构称之为 “多晶体”。
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晶粒:多晶体材料中每个小晶体的外形多为不规 则的颗粒状,通常把它们叫做“晶粒”。
晶界:晶粒与晶粒之间的分界面叫“晶粒间界”, 或简称“晶界”。为了适应两晶粒间不同晶格位 向的过渡，在晶界处的原子排列总是不规则的。
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二、多晶体的组织与性能:
组织:多晶相的种类,晶粒的大小、形态、取向和分布， 位错、晶界的状况。
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性能: 组织敏感的性能:强度、断裂韧度、延性、超塑性 组织不敏感的性能：弹性模量
空位的出现提高了体系的熵值
在一摩尔的晶体中如存在n个空位,晶体中有N=6.023X1023个 晶格位置，这是空位的浓度为x=n/N，系统熵值为:
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设每个空位的形成能为u,空位浓度为x时自由能的 变化为:
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2. 利用过饱和空位浓度求空位形成能Q及空 位移动能QM
• 将金属从高温进行淬火,得到过饱和空位浓度，
定向流动的电子在点缺陷处受到非 平衡力(陷阱),增加了阻力，加速运动提高局部 温度(发热)。
金属的电阻主要来自离子对传导电子
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，因此对
在晶体 内运动的电子发生强烈散射，因此增
加了电阻。
21
对铜和金作精 密的电阻测量, 得出电阻率与 绝对温度之间 的关系曲线如 右图:
伪各向同性:多晶体材料中,尽管每个晶粒内部象单 晶体那样呈现各向异性，每个晶粒在空间取向是随 机分布，大量晶粒的综合作用，整个材料宏观上不 出现各向异性，这个现象称为多晶体的伪各向同性。
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三、晶体中的缺陷概论
晶体缺陷:
即使在每个晶粒的内部,也并不完全象晶体学 中论述的(理想晶体)那样，原子完全呈现周期性 的规则重复的排列。把实际晶体中原子排列与理 想晶体的差别称为晶体缺陷。晶体中的缺陷的数 量相当大，但因原子的数量很多，在晶体中占有 的比例还是很少，材料总体具有晶体的相关性能 特点，而缺陷的数量将给材料的性能带来巨大的 影响。
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• 结论:由上式可知电阻的增加与空位浓度成比 例关系,当温度增加时，金属晶体除了一般随 原子热振动增加而增加的电阻以外，在接近 熔点时由于空位浓度的增加，也有与空位浓 度成比例的附加电阻的增加。由直线的斜率 可求得空位的形成能Q。
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(3) 高能粒子辐照法
晶体在高能粒子(高速中子、重粒子、电子等) 的辐照下,其原子受到碰撞.原子受到碰撞后,有可 能形成弗仑克耳空位和间隙原子.
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根据经典碰撞理论,可求出粒子在弹性碰撞后 的 能 量 转 移 的 极 大 值 Em, 即 为
式中 M1为碰撞粒子的质量,EK为碰撞粒子的 动能:M2为被碰撞粒子的质量，其碰撞前动能 为0(忽略热运动)．当M1 << M2的情况下,可写 为
2.3 晶体缺陷
➢材料的实际晶体结构 ➢点缺陷 ➢位错的基本概念 ➢位错的弹性特征 ➢晶体中的界面
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2.3.1 材料的实际晶体结构
一、多晶体结构
单晶体: 一块晶体材料,其内部的
晶体位向完全一致时，即整 个材料是一个晶体，这块晶 体就称之为“单晶体”，实 用材料中如半导体集成电路 用的单晶硅、专门制造的金 须和其他一些供研究用的材 料。
与具有平衡空位浓度的同种金属相比，在物理 性能方面有下列几点不同:
(1)电阻率大; (2)密度小; (3)热容量大。
从而可以通过对高温淬火后的性能进行测定, 求得空位形成能Q; 通过对在淬火后不同时间 的性能变化的测定,求得空位移动能QM。
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四、点缺陷对材料性能的影响
（1）空位对电阻的影响
原理:
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2.3.2 点缺陷
• 点缺陷:在三维空间各方向上尺寸都很小,在原子尺寸大小
的晶体缺陷。
一、点缺陷的类型 :
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) 间隙原子 在晶格非结点位置，往 往是晶格的间隙，出现了多余的原 子。它们可能是同类原子，也可能 是异类原子。
3) 异类原子 在一种类型的原子组成 的晶格中，不同种类的原子替换原 有的原子占有其应有的位置。
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二、点缺陷的形成
弗仑克耳缺陷:原子离开平衡位置进入间隙,形成等量的空位 和间隙原子。 肖特基缺陷：只形成空位不形成间隙原子。
金属: 离子晶体： 1 负离子不能到间隙 2 局部电中性要求
10
(1) 淬火法
将晶体加热到高温,形成较高的空位浓度,然后由高 温快速冷却,使空位在冷却过程中来不及消失,就得到 包含有过剩空位的晶体,从而形成非平衡空位浓度.
22
• 电阻率与绝对温度之间关系可用下式表 示:ρ=A+BT+CT2+Dexp（-Q/kT） 式中A、B、C及D为系数,前三项为一 般热振动所引起的电阻率增加，第四项 为空位引起的附加电阻率。 即Δρ=Dexp(-Q/kT) 也可以写成 lnΔρ=lnD-Q/kT
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lnΔρ 与1/T的关系曲线如下: