固体物理-第4章-晶体中的缺陷和扩散-4

电阻和密度影响最明显。 判断如何影响？原因？
金属材料中，点缺陷引起的电阻升高可达10%-15%
离子晶体的导电及固体中的扩散通过空位.填隙原子运动实现
问题2：线缺陷的定义、分类、特点及运动？ 晶格周期性的破坏是发生在晶体内部一条线的周围近邻
1、刃位错
G H
A A F B b B E
(a)
H
B B'
E
与外加切应力方向平行
剪切面 左视图:
螺位错线由BC BC
类比 撕纸
问题5:某材料不希望发生范性形变,即希望硬度高,如何？
存在位错 临界切应力降低，即硬度低，利于范变.
1、从晶体中排去所有的位错 可能在晶须（某种极细的发状晶体）中起作用
D H
掺杂（原子）钉扎位错
2、阻滞位错运动
B
E
提高位错密度，以造成位错扭结
原子结合成晶体的源动力:原子间的吸引力. 理想晶体的生长
问题4：当初如何提出位错概念？位错滑移如何理解？
Ax A d
a
x a 2
xa 2
弹性形变
范性形变 原子不能回到原来位置,易到A
即发生滑移
Ax A
d a
?有问题
最初认为: 滑移是相邻两晶面整体的相对刚性滑移
则可计算:使其滑移的最小切应力: c
C C G
D
D
H
A A
F
B B
E
D
H
B
E
正刃位错
负刃位错
刃位错的运动 两种方式：滑移运动和攀移运动
位错线在滑移面内运动
位错线垂直滑移面运动
滑移运动
C C G
D
D
H
A A
F
B B E
D
H
B
E
位错的攀移运动将伴随着空位的产生或消灭。
2、螺位错
AD---位错线
A
B B
D
(b)
C
特点： 1、滑移方向平行于位错线（AD） 2、没有多余的半晶面
理想晶体
刃位错
螺位错
问题3：螺位错在晶体生长中的作用？
触 媒
靠热涨落形成小核心
晶体生长的主要过程：
原(离)子逐步堆积扩大 对理想晶体的完整表面：
新的单层成核困难，易逃逸. 但若晶面存在螺位错，
台阶比平面有较强束缚作用， 易凝结核 ,沿台阶集结生长， 由此大大加快晶体生长速度。 有螺位错的晶体的生长
在图中，中间稍亮区域（晶粒）里的暗线 就是所观察到位错的像
层 状 聚 和 物 晶 体 中 的 螺 型 位 错
问题6：面缺陷的定义及分类？
晶格二维平面上的缺陷 大角晶界
1、晶粒间界 小角晶界
晶粒之间的交界地 区(面)称晶粒间界
小角晶 界可看 成是一 系列刃
位错的 排列
2、堆垛层错
立方密积结构
ABCABCABC………..
第四章 晶体中的缺陷和扩散
原子绝对严格按晶格的周期性排列的晶体不存在
缺陷举例： 如晶体表面、晶粒间界、人为掺杂等
如金刚石
空位
点缺陷 填隙原子 （0维）
杂质原子
刃位错
线缺陷
晶体缺陷的基本类型 （1维）
（按维度或尺寸分类）
螺位错
大角晶界
晶粒间界
面缺陷
小角晶界
（2维） 堆垛间界（层错）
问题1：点缺陷的定义、分类、运动及其对晶体性能影响？
F
n1u1
kBTln
(N
N! n1 )! n1!
利用斯特令公式 lnN! NlnN N
F
n1Βιβλιοθήκη Baidu
T
0
( F
实验TEM观察位错
透射电子显微镜放大倍数高达几十万甚 至几百万倍，分辨率最高可达0.2nm，为我 们直接观察晶体中的位错提供了一个有力的 工具，实际上正是上世纪50年代电子显微镜 的发明使人们直接观察到位错，位错学说才 普遍为人们所接受。使用电子显微镜不仅可 以观察到静态的位错，如果在显微镜下对晶 体施力，还能直接观察到位错的滑移运动、 交互作用和增值。
G
x d
xa 2
x 1 d
c G 109 ~ 1010 N / m2
切变模量
与实验值相比,大3~4数量级 矛盾?
泰勒等提出: 滑移并非相邻晶面整体的刚性移动,而是位错在切应力
作用下的连续运动.
刃位错的滑移
总结:
晶体的滑移实际是位错线(在滑移面上)的逐步移动; 使位错线移动的切应力较小.
螺位错的滑移: 原子的滑移方向与螺位错线的运动方向垂直
这种空位—间隙原子对称为 弗伦克尔缺陷。
（成对出现）
4、杂质原子 在材料制备中，有控制地在晶体中引入杂质原子
A、杂质原子取代基质原子而占据格点位置,称替代式杂质。
（二者相接近或前者大一些）
B、杂质原子占据格点间的间隙位置，称填隙式杂质。
（杂质原子比基质原子小）
点缺陷的运动 1、空位的运动
空位运动势场示意图
在一个或几个原子的微观区域内偏离理想周期结构 1、肖特基缺陷 (也称空位）
原子脱离正常格点移动到 晶体表面的正常位置, 构成 新的一层，并在原格点位置 留下空位，称肖特基缺陷。
2、填隙原子
若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。
3、弗伦克尔缺陷
原子脱离正常格点位置
移到间隙位置，形成： 一个空位和一个间隙原子，
E2
空位周围的原子点据空位,原位置成为新的空位,即空位迁移
2、填隙原子的运动 间隙原子运动势场示意图
E1
晶格中的填隙位置是填隙原子的平衡位置，能量最低点。
3、填隙原子与空位复合 由于热涨落的随机性
填隙原子与空位相遇
落入空位，二者抵消 称复合或湮灭
表填隙原子与空位复合的危险点
点缺陷对晶体性能的影响 对晶体的物理性能、力学性能都有一定影响，如对晶体
若某一晶面A丢失，则原子面排列： ABCABCBCABC………..
问题7:一定温度下,系统达统计平衡时,
热缺陷（空位.间隙原子）数目？
热力学平衡条件
平衡状态下晶体内的热缺陷数目
系统自由能F U TS 最小
F n T
0
热缺陷的数目
1、肖脱基缺陷（或空位）浓度
设晶体中仅存在空位，空位数 n1 晶体原子数 N
n1 N
每形成一个空位需能量u1 晶体熵改变量S
自由能的改变量F n1u1 TS
S kB lnW
W代表相应的微观状态数，kB是玻尔兹曼常量
由于空位的出现，熵的改变 S kBlnW1
从N个原子中取出n1个空位的可能方式数
S
kBln
(N
N!W1 n1)!n1!
C
n1 N
(N
N! n1 )!n1!
C
D
(b)
设想晶体的上部沿ABEF平面向右推移， AB 原来与AB
重合，经过这样的推压后，相对于AB滑移一个原子间距b，EF
是已滑移区与未滑移区的交界线，称为位错线。
刃位错特点：
滑移方向
1、位错线不一定是直线。
2、位错线的方向与滑移 向垂直。
3、位错线EF附近插入一 排多余的晶面
刃位错有两种类型：正刃位错和负刃位错。