最新第四章晶体中的点缺陷与线缺陷第一讲

distortion of planes
selfinterstitial
Rare
Impurities In Solids
Two outcomes if impurity (B) added to host (A):
• Solid solution of B in A (i.e., random dist. of point defects)
点缺陷与材料的电学性质、光学性质、材料的高温动力学 过程等有关。
Point Defects
• Vacancies:
-vacant atomic sites in a structure.
distortion of planes
Vacancy
Common
• Self-Interstitials:
-"extra" atoms positioned between atomic sites.
非晶态固体
缺陷的含义：通常把晶体点阵结构中周期性势场的畸变称为 晶体的结构缺陷。 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。
研究缺陷的意义： （1）晶体缺陷是材料结构敏感性的物理根源。 （2）晶体缺陷是材料导电、半导体、发色（色心）、发 光 、扩散、烧结、固相反应等的机制。 （3）寻找排除晶体缺陷的方法，进一步提高材料的质量 和性能的稳定性。
C-l C-l initial geometryO2-impurity
resulting geometry
4.6 线缺陷（一维缺陷）位错(dislocation)
指在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、 规则性排列所产生的缺陷，即缺陷尺寸在一维方 向较长，另外二维方向上很短。如各种位错 （dislocation）。
• Substitutional cation impurity
Ca 2+ Na +
Na +
inபைடு நூலகம்tial geometry Ca2+ impurity
• Substitutional anion impurity
O2-
cation vacancy
Ca 2+ resulting geometry
anion vacancy
OR
Substitutional alloy (e.g., Cu in Ni)
Interstitial alloy (e.g., C in Fe)
Impurities in Ceramics
• Impurities must also satisfy charge balance
• Ex: NaCl
M X:
Frenkel 缺陷
Schottky 缺陷
2. 杂质缺陷
定义:亦称为组成缺陷（或非本征缺陷），是由外加杂质的 引入所产生的缺陷。
特征:如果杂质的含量在固溶体的溶解度范围内，则杂质 缺陷的浓度与温度无关。
螺型位错示意图
3.面缺陷
面缺陷又称为二维缺陷，是指在二维方向上偏离理想 晶体中的周期性、规则性排列而产生的缺陷，即缺陷尺寸 在二维方向上延伸，在第三维方向上很小。如晶界、表面、 堆积层错、镶嵌结构等。
面缺陷的取向及分布与材料的断裂韧性有关。
面缺陷－晶界
面缺陷－堆积层错 面心立方晶体中的抽出型层错(a)和插入型层错(b)
面缺陷－共格晶面 面心立方晶体中{111}面反映孪晶
二 按缺陷产生的原因分类
晶体缺陷
辐照缺陷 杂质缺陷
电荷缺陷 热缺陷 非化学计量缺陷
1. 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（原子或离子）。
类型:弗仑克尔缺陷（Frenkel defect）和肖特基缺陷 （Schottky defect）
线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性密 切相关。
刃型位错
刃型位错示意图：(a)立体模型;(b)平面图
G
H
F
E
晶体局部滑移造成的刃型位错
螺型位错
（a）与螺位错垂直的 晶面的形状
（b）螺位错滑移面两侧晶面 上原子的滑移情况
图 4-13
C B
D A
C
D
B A
(a )
(b)
螺型位错示意图:（a）立体模型 ；（b）平面图
一、按缺陷的几何形态分类
点缺陷 零维缺陷
本征缺陷 杂质缺陷
线缺陷 一维缺陷
面缺陷 二维缺陷
体缺陷 三维缺陷
位错
小角度晶界、大角度晶界 挛晶界面 堆垛层错 包藏杂质 沉淀 空洞
4.1 点缺陷（零维缺陷） Point Defect
缺陷尺寸处于原子大小的数量级上，即三维方向上缺 陷的尺寸都很小。
包括：空位（vacancy） 间隙质点（interstitial particle） 错位原子或离子 外来原子或离子（杂质质点）（foreign particle） 双空位等复合体
本章要求掌握的主要内容：
掌握缺陷的基本概念、分类方法； 掌握缺陷的类型、含义及其特点；
熟练书写点缺陷的缺陷反应方程式、化学平衡方 法计算热缺陷的浓度；
了解缺陷在材料性能的改善、新型材料的设计、 研究与开发中的意义。
晶体结构缺陷的类型
分类方式：
几何形态：点缺陷、线缺陷、面缺陷等 形成原因：热缺陷、杂质缺陷、非化学计量缺陷等
T E 热起伏(涨落) 原子脱离其平衡位置
E原子 > E平均 在原来位置上产生一个空位
热缺陷浓度与温度的关系:温度升高时，热缺陷浓度增加
（a）单质中弗仑克尔缺陷的形 成（空位与间隙质点成对出现）
（b）单质中的肖特基缺陷的 形成
热缺陷产生示意图
① 间隙位置 (结构空隙大) ② 表面位置 (间隙小/结构紧凑)
第四章晶体中的点缺陷与线 缺陷第一讲
在真实晶体中，在 高于0K的任何温度下， 都或多或少地存在对 理想晶体结构的偏差， 即存在晶体缺陷
二维情况：局部格点破坏 导致平移对称性的破坏— —无法复制整个晶体：晶 体缺陷
生活中玉米粒的分布，完整性的偏离 玉米：空位与间隙原子的形象化
自然界中理想晶体是不存在的 对称性缺陷？晶体空间点阵的概念似乎
不能用到含有缺陷的晶体中，亦即晶体 理论的基石不再牢固? 其实，缺陷只是晶体中局部破坏 统计学原子百分数，缺陷数量微不足道
如：20℃时，Cu的空位浓度为3.8×10-17
缺陷比例过高→晶体“完整性” 破坏 此时的固体便不能用空间点阵来描述，
也不能被称之为晶体 这便是材料中的另一大类别：