晶体结构与缺陷
晶体结构缺陷的类型
二 按缺陷产生旳原因分类
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，是指由热起伏旳原因所产生 旳空位或间隙质点（原子或离子）。
类型:弗仑克尔缺陷（Frenkel defect）和肖特基缺陷 （Schottky defect）
T E 热起伏(涨落) 原子脱离其平衡位置
面缺陷旳取向及分布与材料旳断裂韧性有关。
面缺陷－晶界
晶界示意图
亚晶界示意图
晶界: 晶界是两相邻晶粒间旳过渡界面。因为相邻晶粒 间彼此位向各不相同，故晶界处旳原子排列与晶内不同， 它们因同步受到相邻两侧晶粒不同位向旳综合影响，而做 无规则排列或近似于两者取向旳折衷位置旳排列，这就形 成了晶体中旳主要旳面缺陷。
-"extra" atoms positioned between atomic sites.
distortion of planes
selfinterstitiallids
Two outcomes if impurity (B) added to host (A):
• Solid solution of B in A (i.e., random dist. of point defects)
OR
Substitutional alloy (e.g., Cu in Ni)
Interstitial alloy (e.g., C in Fe)
Impurities in Ceramics
本章主要内容：
§2.1 晶体构造缺陷旳类型 §2. 2 点缺陷 §2.3 线缺陷 §2.4 面缺陷 §2.5 固溶体 §2.6 非化学计量化合物
晶体的结构缺陷精简
形成原因
点缺陷
由于晶体中原子或分子的缺失、多余 或错位，导致局部的原子排列异常。 常见的点缺陷包括空位、间隙原子和 替位式杂质等。
线缺陷
面缺陷
晶体中原子或分子的平面排列异常， 如晶界、相界和表面等。
晶体中由于原子或分子的排列不连续 而形成的线性异常区域，如位错。
对晶体性质的影响
物理性质
晶体结构缺陷可以影响晶体的热 学、光学、电学和磁学等物理性 质。例如，金属导体的电阻率会
03
线缺陷
位错概念
位错
晶体中某处有一列或若干列原子 发生了有规律的错排或缺失，从 而使晶体结构发生畸变，这种畸 变可以延伸到相当远的区域，称
为位错。
位错线
位错延伸的方向称为位错线，其 运动方向与位错线垂直。
柏氏矢量
描述位错特征的矢量，其大小表 示位错的大小，方向表示位错线
的方向。
位错类型
刃型位错
肖脱基缺陷
总结词
肖脱基缺陷是由于晶体表面上的原子 迁移到内部而形成的表面空位。
详细描述
在晶体表面，原子由于热运动或其他 原因迁移到晶体内部，留下表面空位 。这种缺陷通常在高温或高真空条件 下形成。
间隙原子与空位
总结词
间隙原子和空位缺陷是由于原子或分子的位置偏离正常格点 而形成的。
详细描述
间隙原子是指原子进入晶格间隙位置，而空位则是在正常格 点位置上形成的空位。这两种缺陷对晶体的物理和化学性质 产生影响。
表面缺陷在半导体器件、光电 子器件、催化等领域有重要应 用，例如表面改性、表面增强 拉曼散射等。
05
体缺陷
沉淀与固溶体
沉淀
当晶体内部某些组分由于过饱和而析出，形成与基体不同的相，即为沉淀。
第二章-晶体结构与晶体中的缺陷
• 层内力远远大于层间力，容易形成片状解理。
• ⑷ 蒙脱石结构
• 单元层间：范德华力，弱。 • [SiO4]4-中的Si4+被Al3+取代（
同晶取代）为平衡电价，吸 附低价正离子，易解吸，使 颗粒荷电，因此使陶瓷制品 因带某些离子具有放射性。 • 性质： • 加水体积膨胀，泥料可塑性 好。
因子看，A位离子越大， B位离子才能较大。
理想立方钙钛矿结构中离子的位置
§2.2 硅酸盐晶体结构
一、硅酸盐结构特点与分类 硅酸盐是数量极大的一类无机物。硅酸盐晶体可以 按硅（铝）氧骨干的形式分成岛状结构、组群状结 构、链状结构、层状结构和架状结构。它们都具有 下列结构特点： 1）结构中Si4+之间没有直接的键，而是通过O2-连接 起来的 2）结构是以硅氧四面体为结构的基础 3）每一个O2-只能连接2个硅氧四面体 4）硅氧四面体间只能共顶连接，而不能共棱和共面 连接
陶瓷材料如MgO,CaO, NiO,
CoO,MnO和PbO等都形成
该结构。岩盐型结构还是若干
复杂层状化合物结构的一部分。
根据鲍林静电价规则，
S=Z/n NaCl: 每一个Na+静电键强度是 1/6。正负离子的配位数相等， 都是6。因此键强度总和达到氯 离子的价电荷数(6x(1/6)=1) MgO: 阳离子Mg2+的静电键强 度是2/6 ,键强度总和等于氧离子 O2-的电价6x(2/6)=2
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。
晶体结构缺陷的类型
晶体结构缺陷
含量一般少于0.1％。
类型：置换式杂质原子和间隙式杂质原子
特征: 杂质缺陷的浓度与温度无关。
只决定于溶解度 杂质缺陷对材料性能的影响
3. 非化学计量结构缺陷
定义：指组成上偏离化学计量而形成的缺陷。 特点：其化学组成随周围气氛的性质及其分压大 小而变化，它是产生n型和p型半导体的基础， 为一种半导体材料。 如： TiO2 x
离子尺寸因素
晶体结构类型
离子的电价因素
电负性因素
（1）离子尺寸因素
பைடு நூலகம்离子尺寸越接近，固溶体越稳定
15％规则：
r1 r2 r1
< 15％， 连续型固溶体MgO－NiO 15～30％，不连续型固溶体MgO－CaO > 30％，不形成固溶体
（2）晶体的结构类型
晶体结构类型相同，易形成连续型固溶体 例如：
1、 按杂质原子在固溶体中的位置分类
（1）置换型固溶体 杂质原子进入晶体中正常格点位置所生成的 固溶体。如：MgO-CaO，MgO-CoO，
PbZrO3-PbTiO3，Al2O3-Cr2O3等
（2）间隙型固溶体 杂质原子进入溶剂晶格的间隙位置所生成 的固溶体。
2、按杂质原子在晶体中的溶解度分类
1. 写缺陷反应方程式应遵循的原则
（1）位置关系 （2）质量平衡
（3）电中性
（1）位置关系
在化合物MaXb中，无论是否存在缺陷，其
正负离子位置数（即格点数）的之比始终是一
个常数a/b，即：
M位置数 a ＝ X位置数 b
注意：
V、M X — —算位置 M i — —不算位置
位置增值、表面位置
热缺陷
杂质缺陷 非化学计量结构缺陷 其它：电荷缺陷，辐照缺陷……
晶体结构缺陷
4）溶质原子：LM表达L溶质处于M位置，SX表达S溶质处 于X位置。 例：Ca取代了MgO晶格中旳Mg写作CaMg， Ca若填隙在MgO晶格中写作Cai。
5）自由电子及电子空穴：自由电子用符号e′表达。电子空 穴用符号h·表达。它们都不属于某一种特定旳原子全部， 也不固定在某个特定旳原子位置。
VO••
3OO
1 2
O2
例2：CaCl2溶解在KCl中：
产生K空位 ，合 理
CaCl2 KCl CaK• VK' 2ClCl
CaCl2 KCl CaK• Cli' ClCl
Cl-进入填隙位， 不合理
CaCl2 KCl Cai•• 2VK' 2ClCl
Ca进入填 隙位，不合
理
例3：MgO溶解到Al2O3晶格内形成有限置换型固溶体：
荷。为了保持电中性，会产生阴离子空位或间隙阳离子； 2、高价阳离子占据低价阳离子位置时，该位置带有正电
荷，为了保持电中性，会产生阳离子空位或间隙阴离子。
举例：
例1：TiO2在还原气氛下失去部分氧，生成TiO2-x旳反应能 够写为：
2TiO2
2TiT' i
VO••
3OO
1 2
O2
2Ti
4OO
2TiT' i
克罗格-明克符号系统
1、 缺陷符号旳表达措施 （以MX离子晶体为例） 1）空位：VM和VX分别表达M原子空位和X原子空位，V表达缺陷种类，
下标M、X表达原子空位所在位置。
VM〞=VM +2eˊ VX‥ = VX +2 h·
2）填隙原子：Mi和Xi分别表达M及X原子 处于晶格间隙位置 3）错放位置：MX表达M原子被错放在X位置上， 这种缺陷较少。
晶体的结构和晶格缺陷
晶体的结构和晶格缺陷晶体是具有规则、有序排列的原子、离子或分子的物质。
它们在自然界中广泛存在，包括矿物、金属、合金等。
晶体的结构和晶格缺陷对其性质和应用起着至关重要的作用。
晶体的结构是由周期性排列的结构单元（晶胞）组成的。
晶胞是晶体的最小重复单元，通过平移操作可以生成整个晶体。
晶体结构可以分为两类：晶体属于晶胞内原子、离子或分子之间具有长程有序排列的晶体称为晶态；而在晶胞内部分子之间没有长程有序排列的晶体则称为非晶态。
晶体的结构具有高度的有序性，可以通过X射线衍射等技术进行解析。
晶体的结构决定了其物理、化学性质以及机械性能。
不同原子或离子之间的键合方式和键长决定了晶体的硬度、熔点和导电性等。
晶格缺陷是晶体结构中的缺陷，它们可以分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。
点缺陷是晶胞内单个原子、离子或分子的缺失或替代。
最常见的点缺陷包括空位、间隙原子和替位原子。
空位是晶胞中缺少一个原子，它会导致晶体特定的电学、热学和光学性质发生改变。
间隙原子是晶胞中多余的原子，它会引起晶体的固溶度变化。
替位原子则是晶胞中某个原子被另一种原子替代，这种缺陷会对晶体的磁性和电性产生重要影响。
线缺陷是沿着晶体中一维方向分布的缺陷。
最常见的线缺陷是位错，位错是晶体中原子、离子或分子排列出错的地方。
位错会导致晶体的机械性质发生变化，如增加晶体的可塑性和延展性，降低其硬度和强度。
面缺陷是沿着晶体中二维方向分布的缺陷。
最常见的面缺陷包括晶面偏差、晶界和孪晶等。
晶面偏差是晶格平面相对于理想晶体位置的偏移，它会影响晶体的表面形貌和晶体的性质。
晶界是两个或多个晶粒之间的界面，它是晶体内部结构的交界处。
孪晶是两个不同晶方向生长的晶体在晶界处错配而结合形成的缺陷，它会降低晶体的机械性能。
晶格缺陷在物质的制备和改性过程中起着重要作用。
通过控制晶格缺陷，可以调节晶体的性质和应用。
在材料科学领域，研究晶体中的缺陷可以提高材料的力学性能、电学性能和化学稳定性等。
晶体结构缺陷
实际晶体在结晶时受到杂质、温度变化 或振动等产生的应力作用，或由于晶体在使 用时受到打击切削、研磨等机械应力的作用， 使晶体内部质点排列变形，原子行列间相互 滑移，而不再符合理想晶格的有秩序的排列， 形成线状的缺陷。
例：金属淬火后为什么变硬？
概念：
1. 滑移
在外力作用下，晶体的一部分相对于另一部分，沿着一定晶面的一定晶向 发生平移，使晶面上的原子从一个平衡位置平移到另一个平衡位置的过程。
例：高温结构材料Al2O3可以用ZrO2来实现增韧， 也可以用MgO来促进Al2O3的烧结。 (a) 如加入0.2mol% ZrO2,试写出缺陷反应式和固溶分子式。 (b) 如加入0.3mol% ZrO2和xmol%MgO对进行复合取代， 试写出缺陷反应式、固溶分子式及求出x值。
3.3 线 缺 陷
Schottky缺陷的产生
3.2 点缺陷的符号表征、反应方程式
例：写出CaCl2溶解在KCl中缺陷反应方程式
1. 常用缺陷表示方法：
Abz
用一个主要符号(A)表明缺陷的种类 用一个下标(b)表示缺陷位置 用一个上标(z)表示缺陷的有效电荷
如“ . ”表示有效正电荷; “ / ”表示有效负电荷;
“×”表示有效零电荷。
用MX离子晶体为例：
空位
VM
填隙原子 Mi
错位原子 MX
自由电子及电子空穴 e h•
缔合中心 VMVX VN aVC•l
带电缺陷
带电缺陷
把离子化合物看作完全由离子构成（这里不考虑化学键性质），
则在 NaCl晶体中，如果取走一个Na+ 晶格中多了一个 e/, 必然和这个 e/ 相联系，形成带电的空位——
位错线在几何上的特征：
晶体的缺点和不足
晶体的缺点和不足
晶体是由原子、分子或离子按照一定的周期性在空间排列形成的固体物质，具有以下缺点和不足：
1. 晶体生长缓慢：晶体的生长通常需要较长的时间，尤其是对于大尺寸、高质量的晶体，生长过程可能非常耗时。
2. 晶体缺陷：在晶体生长过程中，可能会引入各种缺陷，如点缺陷、线缺陷、面缺陷等。
这些缺陷可能会影响晶体的物理、化学和电子性质。
3. 晶体的各向异性：晶体在不同方向上的物理性质可能会有所不同，这被称为晶体的各向异性。
这可能会导致在某些应用中需要对晶体的取向进行控制，增加了制备的难度。
4. 晶体的脆性：大多数晶体材料相对较脆，容易在受到外力作用时发生断裂或破裂。
这限制了它们在需要一定柔韧性或抗冲击性的应用中的使用。
5. 有限的晶体结构：晶体的周期性结构限制了它们在某些方面的性能。
例如，晶体的能带结构决定了它们的电子传输性质，可能无法满足某些特定应用的要求。
需要注意的是，不同类型的晶体可能具有不同的特点和应用领域。
对于特定的应用，人们可以选择合适的晶体材料或通过晶体工程等方法来克服其缺点和不足。
此外，随着科学技术的发展，人们也在不断探索和研究新的晶体材料和制备方法，以满足各种应用需求。
第一章晶体的结构及晶体中的缺陷
ˆn c ˆn ˆh s
I
s
在晶体中反轴 对应的操作是先绕(轴)线旋转α度，然后再通过线上 (中心)点进行倒反(或先倒反再旋转)，即能产生等价图形。这种连续性 操作的符号为 “ L( ) I ”, 其中“ ”为倒反, “L( )” 为旋转.
由此可知， 与Sn都属于复合对称操作，且都由旋转与另一相连的操 作组合而成。
小角度晶界： 晶粒位向差小于10度的晶界。其结构为位 错列，又分为对称倾侧晶界和扭转晶界。
5、晶界能
Gb W＝ ( A0 ln 0 ) 4 (1 ) b A0 1＋ ln( ) 2r0 G 剪切模量；－－失配度； b －－柏氏矢量；
－－泊松比； r0 与位错线有关的一个
除了对称元素和对称操作的符号和名称的不完全相同外，晶体的宏观 对称性与有限分子的对称性最本质的区别是：晶体的点阵结构使晶体 的宏观对称性受到了限制，这种限制主要表现在两方面： 在晶体的空间点阵结构中，任何对称轴(包括旋转轴、反轴以及以后 介绍的螺旋轴)都必与一组直线点阵平行，与一组平面点阵垂直(除 一重轴外)；任何对称面(包括镜面及微观对称元素中的滑移面)都必 与一组平面点阵平行，而与一组直线点阵垂直。 晶体中的对称轴(包括旋转轴,反轴和螺旋轴)的轴次n并不是可以有 任意多重，n仅为1,2,3,4,6，即在晶体结构中，任何对称轴或轴性 对称元素的轴次只有一重、二重、三重、四重和六重这五种，不可 能有五重和七重及更高的其它轴次，这一原理称为“晶体的对称性 定律”。 所以，综合前面的讨论，由于点阵结构的限制，晶体中实际存在 的独立的宏观对称元素总共只有八种，见表2
1.3准晶体 准晶体是1984年科学家发现的一种新的物 质聚集形态。一种介于晶体和非晶体之间的
半导体晶体结构和缺陷
半导体晶体结构和缺陷半导体是一种介于导体和绝缘体之间的材料，具有很多独特的性质和应用。
在分子水平上，半导体由一系列原子组成。
这些原子有一定的排列方式，形成了晶体结构。
晶体结构的完整性对半导体材料的性能和性质起着至关重要的作用。
半导体晶体结构通常采用三种常见的结构类型：立方晶格、钻石晶格和六边形晶格。
对于立方晶格结构，每个原子都包围着8个相邻的原子，形成了一个立方体。
钻石晶格结构是由两个延伸的、相互交错的面心立方体组成的。
六边形晶格结构则是由六个等距的原子组成的环形结构。
这些不同的结构类型决定了半导体的电子能带结构和电子运动的方式。
半导体晶格结构中可能存在各种类型的缺陷，这些缺陷对半导体材料的性质和性能产生重要影响，同时也为一些应用提供了潜在的优势。
下面介绍一些常见的半导体晶格缺陷。
1.点缺陷：点缺陷是晶体结构中最简单的种类，它们是由缺失或替代原子引起的。
缺失原子形成的空位缺陷能够捕获电子或空穴，从而影响电子和空穴的移动性。
2.赋锗瑕疵：赋锗瑕疵是一种晶格点缺陷，即原子被替代为一个不同元素的原子。
这种替代可能导致该区域的能带发生变化，并影响材料的电子性质。
3.界面缺陷：界面缺陷是晶体结构中两个不同晶体之间的缺陷，形成的界面是不完美的。
这些界面缺陷会导致电子和空穴的散射和捕获，影响材料的载流子传输性质。
4.外延缺陷：外延缺陷是在晶体表面生长的过程中形成的缺陷，由于压力差和表面张力的影响，晶格结构在表面上变形。
这种变形会导致表面损伤和晶格点缺陷的形成。
这些缺陷在半导体材料的性质和性能中起着重要作用。
一方面，缺陷可以捕获和释放电子和空穴，从而影响电荷运输性质和载流子寿命。
另一方面，缺陷还可能引起光学效应，如发光或吸收，这些效应在半导体器件中具有广泛的应用。
因此，对半导体材料中晶格结构和缺陷的深入理解是提高半导体器件性能和开发新型器件的关键。
总之，半导体晶体结构和缺陷对半导体材料的性质和性能起着重要作用。
晶体结构和晶体缺陷
c0=0.625nm，Z=2；阳离子和阴离子的配位数都 是4 ；S2-按六方最紧密堆积排列，Zn2+充填于1/2 的四面体空隙中。
S 2 - ：000, 2/3 1/3 1/2 Zn2+：00u, 2/3 1/3 (u-1/2)，
其中u=0.875
始格子，而自成另一套四方原始格子，因为这两个Ti4+周围 环境不同，不能成为四方体心格子，O2-处于特定位置；
Ti4+的配位数为6，O2-的配位 数为3。
Ti4+：000，½½½ O2-：uu0, (1-u)(1-u)0, ( ½+u)(½-u)½，(½-u)(½+u)½ ，u=0.31
Ti-O八面体以共棱方式排成链状，晶胞中心的链和四角的 Ti－O八面体链的排列方向相差90°
晶体结构与晶体中的缺陷
§2.1 典型结构类型
§2.2 硅酸盐晶体结构（略， 实验课参照模型学习） §2.3 晶体结构缺陷
§2.1 典 型 结 构 类 型
一．金刚石结构 二．石墨结构 三．NaCl型结构 四．CsCl型结构 五．闪锌矿型结构 六．纤锌矿型结构
七．萤石型结构 八．金红石型结构 九．碘化镉型结构 十. 刚玉型结构 十一. 钙钛矿型结构 十二. 尖晶石型结构
Zn2+：¼ ¼ ¾ , ¼ ¾ ¼ , ¾ ¼ ¼ , ¾ ¾ ¾
结构俯视图，数字为标 高，0为底面位置，25、 50、75分别为晶胞1/4、
1/2、3/4的标高
S2-
Zn2+
Zn-S四面体以
共顶方式相连
属于闪锌矿型结构的晶体：-SiC, GaAs, AlP, InSb等
晶体结构与缺陷
晶体结构与缺陷晶体是由原子或离子按照一定的空间排列规律组成的。
晶体结构的决定因素是每个离子或原子的电荷、大小、排列方式等。
晶体中还存在各种类型的缺陷，它们对晶体的物理、化学性质产生着深刻的影响。
本文介绍晶体结构和常见的晶体缺陷类型。
晶体结构晶体结构的研究是材料科学的重要组成部分。
晶体结构的基本特征是周期性结构和各向同性。
晶体结构的周期性结构可以用晶格来描述，而各向同性则表现为晶体结构在各个方向都有相同的物理和化学性质。
晶格是晶体结构的一个重要概念，它是通过一系列点阵使晶体结构排列有序的几何体系。
晶格可以分为7种类型，分别为简单立方晶格、面心立方晶格、体心立方晶格、三斜晶系晶格、正交晶系晶格、单斜晶系晶格和六角晶系晶格。
每种晶格有其特有的周期性结构。
在晶格之上，晶体还有原子或离子，它们按照一定的规律排列，形成了晶体的基本单位——晶体胞。
不同晶体胞的形状和大小不同，但其原子或离子的排列方式是相同的。
晶体结构的描述方式可以分为两种，一种是几何描述方式，一种是结构描述方式。
几何描述方式主要是通过晶格参数来描述晶格的形态和大小，结构描述方式通过具体的晶体结构来描述晶体基本单位的排列方式。
晶体缺陷晶体缺陷是指晶体中原子在排列方式上的失序或错误。
晶体缺陷是不可避免的，因为完美的晶体无法在实验条件下合成。
晶体缺陷可以改变晶体的物理和化学性质，严重的缺陷甚至会导致晶体失去结构完整性。
常见的晶体缺陷包括点缺陷、面缺陷和体缺陷。
点缺陷是晶体结构中位置上的失序或错误，如空位、插入物和替代物等。
面缺陷包括晶界、位错和孪晶等。
体缺陷是晶体中局部形成的缺陷，如空泡、裂纹、孔洞和夹杂等。
晶体缺陷的产生有多种原因，主要包括制备过程中的失误和温度、压力等外界条件的变化。
晶体缺陷对晶体的物理和化学性质产生深刻影响，如制备材料中的一些关键性质可能由于缺陷而发生变化。
晶体结构和晶体缺陷是材料科学中的重要概念。
晶体结构的周期性结构和各向同性为晶体的物理和化学性质提供了基础保障，晶体缺陷则可以改变晶体的物理和化学性质。
3-4晶体结构与缺陷
稳定晶格作用
形成固溶体能阻止某系晶型转变的发生，起到稳 定晶格的作用，例：
水泥熟料中β-C2S(水化活性)→γ -C2S(无活性) → β-C2S+P2O5/Cr2O3形成固溶体，阻止转变 ZrO2 ： 高 温 立 方 结 构 （ 萤 石 结 构 ） 中 存 在 大 量 “ 空 洞”，为离子扩散提供扩散通道。 但是：立方 ↔ 四方 ↔ 单斜，常温失去立方结构 → ZrO2+CaO/Y2O3，稳定成立方相，快离子导体
rSi 4+ = 0.026nm, rAl 3+ = 0.039nm
组分缺陷
组分缺陷：当发生不等价的置换时，必然产生组 分缺陷，即产生空位或进入空隙 影响缺陷浓度因素：取决于掺杂量(溶质数量)和 固溶度。其固溶度仅百分之几。
例如: (1) 产生阳离子空位
MgAl2O4 • '' Al2 O3 ⎯⎯⎯⎯ 2 AlMg + VMg + 3Oo →
离子类型相同，容易形成连续固溶体
化学键
化学键性质相近，容易形成连续固溶体
(4)离子的电价影响
离子价相同或离子价总和相等时才能生成 连续置换型固溶体
钠长石Na[AlSi3O8]→钙长石Ca[Al2Si2O8], 离子 电价总和为+5价 Na + + Si 4+ ↔ Ca 2+ + Al 3+ 复合钙钛矿型压电陶瓷材料(ABO3型)中 B位取代 A位取代
固溶体与类质同晶
类质同晶：物质结晶时，其晶体结构中本应由某 种离子或原子占有的配位位置，一部分被介质中 性质相似的它种离子或原子占有，共同结晶成均 匀的呈单一相的混合晶体，但不引起键性或晶体 结构型式发生质变的现象称为类质同晶。 矿物学中，固溶体=类质同晶 严格地说：类质同晶=置换型固溶体
第二章 晶体结构与晶体中的缺陷
等。鲍林第一规则强调的是正离子周围负离子多面
体类型，并把它看成是离子晶体结构基本单元，在
稳定的结构中，这种基本单元在三维空间规则排列。
注意：把离子晶体看成了刚性球体，实际中，如果
正离子电荷数大，负离子半径大，还要考虑极化变
形问题，往往有例外，如AgI，r+/r-, =0.577，Z=6，
实际上，Z=4。
子成六方环状排列(图2-2)．每个碳原子与三个相邻
的碳原子之间的距离相等，都为0.142nm。但层与
层之间碳原子的距离为0.335nm。石墨的这种结构，
表现为同一层内的碳原子之间是共价键，而层之间
的碳原子则以分子键相连。
► C原子的四个外层电子，在层内形成三个共价键，
多余的一个电子可以在层内移动，类似于金属中的 自由电子。
（共棱），还是三个顶点（共面）。
► 对于一个配位多面体，正离子居中，负离子占据
顶角，当两个配位体由共顶→共棱→共面，两个 正离子间距离不断缩短 。
举 例
►
如两个四面体共用一个顶点，中心距离设为1，共用两个，
三个顶点，距离为0.58、0.33，而两个八面体中心距共顶
（1），共棱（0.71），共面(0.58)。
构的层与层之间则依靠分子间力(范德华力)结合起来，形 成石墨晶体。石墨有金属光泽，在层平面方向有很好的导
电性质。由于层间的分子间作用力弱，因此石墨晶体的层
与层间容易滑动，工业上用石墨作固体润滑剂。
石墨结构
应 用
►
石墨硬度低，易加工，熔点高，有润滑感，导电性
能良好。可以用于制作高温坩埚、发热体和电极， 机械工业上可做润滑剂等。人工合成的六方氮化硼
离由它们的半径之和决定，而Si4+的配位数是4，是 由rSi4+/ro2-=0.293（在0.225~0.414之间，配位数是4） 值决定。（rSi4+=0.41Å ro2-=1.40Å）
晶体的结构晶格与晶体缺陷
晶体的结构晶格与晶体缺陷晶体是由具有规则排列的原子、离子或分子构成的固态物质。
晶体结构的产生与晶格有着密切的关系，晶体缺陷则是晶格中存在的非完美的部分。
本文将依次介绍晶体的结构晶格以及晶体缺陷的相关内容。
一、晶体的结构晶格晶体的结构是由晶格确定的。
晶格是指在空间中规则排列的点阵或周期性结构。
不同的晶体结构有不同的晶格类型，最常见的晶格类型是立方晶格、六方晶格、四方晶格等。
1. 立方晶格立方晶格是最简单的晶格类型之一，它具有等边、等角的特点。
立方晶格可分为面心立方晶格、体心立方晶格和简单立方晶格。
其中，面心立方晶格具有最高的密堆率，每个原子周围都密集地包围着12个相邻的原子。
2. 六方晶格六方晶格是由一个六边形晶胞构成，其顶角分别为120度和60度。
六方晶格是较为常见的晶格类型，许多金属和陶瓷材料都具有这种结构。
3. 四方晶格四方晶格是晶格的一种，具有和立方晶格相似的特征，但其在z轴方向上具有不同的长度。
二、晶体缺陷及其分类晶体缺陷是指晶体中存在的非完美的部分，可以分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种类型。
1. 点缺陷点缺陷是指晶体中由于原子或离子的位置发生变化而产生的缺陷。
常见的点缺陷有原子空位、杂质原子和间隙原子等。
- 原子空位是指晶体中存在不被原子占据的空位，其产生原因可以是晶体生长过程中的缺陷或中子轰击等因素。
- 杂质原子是指进入晶体中的与主要晶体原子不同的原子。
杂质原子的存在可以影响晶体的导电性、光学性能等特性。
- 间隙原子是指位于晶体原子间隙处的原子，其存在可以引起晶格的畸变和物理性质的变化。
2. 线缺陷线缺陷是指沿晶体表面或晶体内部存在的缺陷线。
常见的线缺陷有位错、脆性裂纹和位移等。
- 位错是指晶体中原子排列出现的错位或位移，常见的有边界位错、螺位错和混合位错等。
- 脆性裂纹是晶体中的裂纹缺陷，由于内部应力超过晶体的强度而导致裂纹的产生和扩展。
- 位移是晶体中原子在晶体平面方向上的滑移或背斜，它对晶体材料的塑性形变和变形行为有着重要影响。
晶体结构与缺陷
• 影响因素：—— 与晶体结构有很大关系 • NaCl型晶体中间隙较小，不易产生弗仑 克尔缺陷；
• 萤石型结构中存在很大间隙位置，相对 而言比较容易生成填隙离子。
• （2）肖特基缺陷： • 如果正常格点上的 • 质点，在热起伏过程中 • 获得能量离开平衡位置迁移到晶体的表面， 而在晶体内部正常格点上留下空位
晶体中的柏格斯氏矢量 （方向表示滑移、大小为原子间距）
.柏氏矢量
（1）柏氏矢量的确定方法 先确定位错线的方向(一般规定位错线垂直纸面时， 由纸面向外为正向)，按右手法则做柏氏回路，右 手大拇指指位错线正向，回路方向按右手螺旋方向 确定。 从实际晶体中任一原子出发，避开位错附近的严重 畸变区作一闭合回路，回路每一步连接相邻原子。 按同样方法在完整晶体中做同样回路，步数、方向 与上述回路一致，这时终点和起点不重合，由终点 到起点引一矢量即为柏氏矢量b。
• 2.点缺陷的形成 • 原子相互作用的两种作用力：(1)原子间的吸 引力；(2)原子间的斥力 • 点缺陷形成最重要的环节是原子的振动 • 原子的热振动 （以一定的频率和振幅作振动） • 原子被束缚在它的平衡位置上，但原子却在做 着挣脱束缚的努力 • 点缺陷形成的驱动力：温度、离子轰击、冷加 工 • 在外界驱动力作用下，哪个原子能够挣脱束缚， 脱离平衡位置是不确定的，宏观上说这是一种 几率分布
Cl Mg
• 特点： • （2）从形成缺陷的能量来分析—— Schttky缺陷形成的能量小于Frankel 缺陷形成的能量因此对于大多数晶体来 说，Schttky 缺陷是主要的。
• 产生 动平衡 • 复合 • 浓度是温度的函数 • 随着温度升高，缺陷浓度呈指数上升，对 于某一特定材料，在—定温度下，热缺陷浓 度是恒定的。
• 2.5.2 热缺陷的浓度计算
无机化学中的晶体结构与晶格缺陷
无机化学中的晶体结构与晶格缺陷晶体是由周期性排列的原子、离子或分子组成的固体，具有长程有序性和对称性。
在无机化学中，晶体结构是一个重要的研究对象。
对于一种物质来说，了解其晶体结构可以揭示其化学和物理性质，并且为其制备及应用提供指导。
本文将探讨无机化学中的晶体结构及其缺陷。
1. 晶体结构的分类在无机化学中，晶体结构可以根据其元素和化学键的不同而分为离子晶体、共价晶体和分子晶体。
其中，离子晶体以离子间的静电作用为主要力，具有高的熔点和硬度，例如氯化钠。
共价晶体以共价键为主要力，例如金刚石。
分子晶体以分子间的相互作用为主要力，具有低的熔点和硬度，例如硫酸甘油。
2. 晶体的晶格和晶胞晶体中原子、离子或分子的周期性排列构成了晶格结构。
晶格是由晶体单位中重复出现的空间点组成的。
晶格由三个相互垂直的轴和各自上的点阵构成。
晶格用一组指标（如a、b、c、α、β、γ）来描述。
晶胞是晶体的基本结构单元，是一系列被原子或离子占据的几何空间。
晶胞可以是立方、四方、正交、单斜、三角、六方和三斜等类型。
不同的晶胞形状影响晶体物理和热力学性质。
3. 晶体的晶格缺陷理想的晶体结构是由规律的周期排列的原子、离子或分子组成的。
然而，在实际晶体中，由于各种因素的影响，晶体结构会出现缺陷，这些缺陷被称为晶格缺陷。
这些晶格缺陷会直接影响晶体的物理和化学性质。
晶格缺陷可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷。
点缺陷是晶体中单个原子、离子或空位的缺失或存在。
例如，氧化铝中的阳离子晶格中可能存在空位缺陷。
线缺陷是晶体中沿着一定方向具有局部偏差的缺陷。
例如，在氧化铝中，局部偏移的氧离子构成线缺陷。
面缺陷是晶体中平面上存在的缺陷，例如晶格错位或位错等。
晶格缺陷的存在可以导致物理和化学性质的改变。
例如，缩小晶胞之间距离的面缺陷催化剂可以提高反应速率。
结论在无机化学中，晶体结构和晶格缺陷是有重要意义的。
通过对晶体结构和缺陷的研究，可以深入了解物质的物理和化学性质，并指导其制备和应用。
晶体结构与晶体缺陷
晶体结构与晶体缺陷晶体是物质的一种固态形态，具有有序的排列结构。
其内部的原子、离子或分子按照一定的规律排列，形成晶体的结构。
晶体结构对于物质的性质和应用具有重要影响。
然而，即使在完美的晶体中，也难免存在一些缺陷。
本文将以晶体结构与晶体缺陷为主题，介绍晶体的基本结构和常见的晶体缺陷，探讨它们对于晶体性质的影响。
一、晶体结构晶体结构是晶体内部原子、离子或分子的有序排列方式。
根据晶体结构的不同，可以分为几种常见的晶体类型，包括立方晶系、四方晶系、六方晶系、正交晶系、单斜晶系和三斜晶系等。
每种晶体类型都有其特定的晶体结构特征和晶胞参数。
晶体结构的基本单位是晶胞，晶胞是由若干个晶体格点组成的最小重复单元。
晶格点是表示晶体结构的点，晶格点的排列规则形成了晶体的结构。
晶体结构中有各种键的存在，包括离子键、共价键、金属键等，这些键的类型和强度直接影响晶体的性质。
二、晶体缺陷即使是在完美的晶体中，也不可避免地存在着各种缺陷。
晶体缺陷可以分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种类型。
1. 点缺陷点缺陷是晶体中原子、离子或分子的位置发生了偏离，形成了缺陷点。
常见的点缺陷包括晶格缺陷和间隙缺陷。
晶格缺陷是晶体中原子、离子或分子替换或缺失造成的缺陷。
替代缺陷发生在晶体中的一个位置被其他原子替换，导致原子数量和类型的改变。
缺失缺陷指的是晶体中的某个位置没有被原子、离子或分子占据。
间隙缺陷是晶体中晶格位置周围存在空隙或异位原子、离子或分子的缺陷。
空位缺陷是指晶格位置周围存在未被占据的空位，而异位缺陷则是指晶体中的某个位置被不同类型的原子、离子或分子占据。
2. 线缺陷线缺陷是晶体中原子、离子或分子排列出现错乱或断裂的缺陷，形成了缺陷线。
常见的线缺陷包括位错和蚀刻缺陷。
位错是晶体中晶面的错位，导致原子排列出现错乱的缺陷。
位错可以分为位错线和位错面，具有重要的力学、电学和光学性质。
蚀刻缺陷是晶体中由于外界因素（如化学蚀刻）导致晶体表面形成凹凸不平、出现凹陷或凸起的缺陷。
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晶体结构与缺陷
晶体是一种有着高度有序排列的原子、离子或分子的固体材料。
晶体的结构对其性质和应用具有重要影响，而缺陷则是晶体中不完美的部分。
本文将探讨晶体结构、晶格缺陷和它们在材料中的影响。
一、晶体结构
晶体结构是指晶体中原子、离子或分子的排列方式。
晶体的结构可以通过晶体学方法（如X射线衍射）来表征。
根据晶体的结构特征，可以将晶体分为多种类型，包括立方晶系、正交晶系、单斜晶系等。
晶体结构的基本单位是晶胞，晶胞由晶体中最小的重复单元构成。
在晶体结构中，晶胞有各种不同的排列方式，例如简单立方晶胞、面心立方晶胞和体心立方晶胞。
这些不同的排列方式导致了不同类型的晶体结构。
二、晶格缺陷
晶格缺陷是指晶体中原子、离子或分子位置的非理想性质。
晶格缺陷可以通过外部环境和材料制备过程中的条件引入。
晶格缺陷可以分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。
1. 点缺陷
点缺陷是指晶体中少数几个原子、离子或分子的位置与理想排列位置有所偏离。
最常见的点缺陷是空位缺陷和杂质缺陷。
空位缺陷是指
晶体中某个位置上的原子或离子缺失，而杂质缺陷是指原子或离子被其他类型的原子或离子替代。
点缺陷可以对晶体的性质和行为产生重要影响。
例如，在半导体材料中，控制杂质缺陷的浓度可以改变材料的电导率。
在金属材料中，点缺陷可以影响金属的硬度、延展性和热导率等物理性能。
2. 线缺陷
线缺陷是指晶体中沿某个方向出现的缺陷线。
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顺序的偏移，而螺旋位错则是沿某个方向上原子排列的扭曲。
线缺陷可以导致晶体的塑性变形和断裂行为。
位错的运动可以使晶体发生滑移，从而导致材料的塑性变形。
而螺旋位错则可以在晶体中形成螺旋状的断裂。
3. 面缺陷
面缺陷是指晶体中的平面缺陷。
最常见的面缺陷是晶界和孪晶。
晶界是两个晶粒之间的界面，它们的晶体结构可能有所不同。
孪晶是指两个对称的晶体结构在某个面上镜面对称的结合。
面缺陷可以对晶体的物理性能产生重要影响。
晶界可以影响晶体的弹性模量和导电性能。
孪晶对晶体的强度和韧性等力学性能具有显著影响。
三、晶体结构与缺陷的应用
晶体结构和缺陷对材料的性能和应用起着至关重要的作用。
许多材料的功能特性可以通过调控晶体结构和缺陷来实现。
例如，半导体材料中的点缺陷可以用于制备p-n结，实现半导体器件的整流和放大功能。
金属中的位错可以用于增强金属的塑性变形和强度。
通过控制晶界的属性和分布，可以改善材料的导电性能、机械性能和化学稳定性等。
总结
晶体结构和缺陷是材料科学和固态物理学中的重要概念。
了解晶体的结构和缺陷对于理解材料的性质和行为至关重要。
通过合理调控晶体结构和缺陷，可以实现对材料性能的定制和优化。