《晶体结构缺陷》PPT课件
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面缺陷的取向及分布与材料的断裂韧性有关。
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8
图2-3 面缺陷－晶界
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9
图2-4 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)
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10
图２－５ 面缺陷－共格晶面 面心立方晶体中{111}面反映孪晶
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11
二、按缺陷产生的原因分类
1. 热缺陷 2. 杂质缺陷 3. 非化学计量缺陷 4. 其它原因，如电荷缺陷，辐照缺陷 等
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25
注意：
一． 位置关系强调形成缺陷时，基质晶体中正负 离子格点数之比保持不变，并非原子个数比 保持不变。
二． 在上述各种缺陷符号中，VM、VX、MM、XX、MX、 XM等位于正常格点上，对格点数的多少有影响， 而Mi、Xi、e，、h·等不在正常格点上，对格 点数的多少无影响。
三． 形成缺陷时，基质晶体中的原子数会发生变 化，外加杂质进入基质晶体时，系统原子数 增加，晶体尺寸增大；基质中原子逃逸到周 围介质中时，晶体尺寸减小。
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12
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）
热缺陷浓度与温度的关系:温度升高时，热缺陷浓 度增加
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13
(a)弗仑克尔缺陷的形成(空 位与间隙质点成对出现)
线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性密 切相关。
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6
(a)
(b)
图2-2 (a)刃位错 (b)螺位错
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7
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。
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2
§2.1 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
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3
一、按缺陷的几何形态分类
1.点缺陷（零维缺陷）
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) 杂质质点(foreign particle)，如图2-1所示。 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。
16
3.非化学计量缺陷
定义:指组成上偏离化学中的定比定律所形成 的缺陷。它是由基质晶体与介质中的某些组 分发生交换而产生。如Fe1－xO、Zn1+xO等晶体 中的缺陷。
特点:其化学组成随周围气氛的性质及其分压 大小而变化。是一种半导体材料。
4. 其它原因，如电荷缺陷，辐照缺陷等
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17
§2.2 点缺陷
第二章 晶体结构缺陷
❖ § 2.1 晶体结构缺陷的类型 ❖ § 2.2 点缺陷 ❖ § 2.3 线缺陷 ❖ § 2.4 面缺陷
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1
ห้องสมุดไป่ตู้
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。
缺陷对材料性能的影响
(b)单质中的肖特基缺陷 的形成（只形成空位）
图2-6 热缺陷产生示意图
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14
2.杂质缺陷
定义:亦称为组成缺陷，是由外加杂质的引入所 产生的缺陷（原位质点被杂质质点所取代）。
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。
杂质缺陷对材料性能的影响
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15
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陷。
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21
6.缔合中心
电性相反的缺陷距离接近到一定程度时， 在库仑力作用下会缔合成一组或一群，产生 一个缔合中心， VM和VX发生缔合,记为 （VMVX）。
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22
二、缺陷反应表示法
对于杂质缺陷而言，缺陷反应方程式的 一般式：
基质
杂质
产生的各种缺陷
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23
1.写缺陷反应方程式应遵循的原则
本节介绍以下内容： 一、点缺陷的符号表征：Kroger-Vink符号 二、缺陷反应方程式的写法
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18
一、点缺陷的符号表征:Kroger-Vink符号
以MX型化合物为例：
1.空位（vacancy）用V来表示，符号中的右下标表示缺陷 所在位置，VM含义即M原子位置是空的。
2.间隙原子（interstitial）亦称为填隙原子，用Mi、Xi 来表示，其含义为M、X原子位于晶格间隙位置。
3. 错位原子 错位原子用MX、XM等表示，MX的含义是M原 子占据X原子的位置。XM表示X原子占据M原子的位置。
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19
4. 自由电子(electron)与电子空穴 (hole)
分别用e，和h· 来表示。其中右上标中的一 撇“，”代表一个单位负电荷，一个圆点“ · ” 代表一个单位正电荷。
5.带电缺陷
在NaCl晶体中，取出一个Na+离子，会在原来
的位置上留下一个电子e，，写成VNa’ ，即代表 Na+离子空位，带一个单位负电荷。同理，Cl－
离子空位记为VCl · ，带一个单位正电荷。
即：VNa’=VNa＋e，，VCl · =VCl＋h·。
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20
其它带电缺陷：
1)CaCl2加入NaCl晶体时，
与一般的化学反应相类似，书写缺陷反 应方程式时，应该遵循下列基本原则： （1）位置关系 （2）质量平衡 （3）电中性
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24
（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的格点数/X的格点数 a/b。如NaCl结构中，正负离子格点数之比 为1/1，Al2O3中则为2/3。
若Ca2+离子位于Na+离子位置上，其缺陷符号
为CaNa · ，此符号含义为Ca2+离子占据Na+离子 位置，带有一个单位正电荷。 2)CaZr,,表示Ca2+离子占据Zr4+离子位置，此缺陷 带有二个单位负电荷。
其余的缺陷VM、VX、Mi、Xi等都可以加上对应 于原阵点位置的有效电荷来表示相应的带电缺
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4
(a)空位
(弗仑克尔缺陷 和肖特基缺陷)
(b)杂质质点 (置换)
(c)间隙质点
图2-1 晶体中的点缺陷
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5
2.线缺陷（一维缺陷）
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），如图2-2所示。
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图2-3 面缺陷－晶界
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图2-4 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)
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图２－５ 面缺陷－共格晶面 面心立方晶体中{111}面反映孪晶
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二、按缺陷产生的原因分类
1. 热缺陷 2. 杂质缺陷 3. 非化学计量缺陷 4. 其它原因，如电荷缺陷，辐照缺陷 等
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25
注意：
一． 位置关系强调形成缺陷时，基质晶体中正负 离子格点数之比保持不变，并非原子个数比 保持不变。
二． 在上述各种缺陷符号中，VM、VX、MM、XX、MX、 XM等位于正常格点上，对格点数的多少有影响， 而Mi、Xi、e，、h·等不在正常格点上，对格 点数的多少无影响。
三． 形成缺陷时，基质晶体中的原子数会发生变 化，外加杂质进入基质晶体时，系统原子数 增加，晶体尺寸增大；基质中原子逃逸到周 围介质中时，晶体尺寸减小。
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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）
热缺陷浓度与温度的关系:温度升高时，热缺陷浓 度增加
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(a)弗仑克尔缺陷的形成(空 位与间隙质点成对出现)
线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性密 切相关。
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(a)
(b)
图2-2 (a)刃位错 (b)螺位错
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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。
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§2.1 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
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一、按缺陷的几何形态分类
1.点缺陷（零维缺陷）
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) 杂质质点(foreign particle)，如图2-1所示。 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。
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3.非化学计量缺陷
定义:指组成上偏离化学中的定比定律所形成 的缺陷。它是由基质晶体与介质中的某些组 分发生交换而产生。如Fe1－xO、Zn1+xO等晶体 中的缺陷。
特点:其化学组成随周围气氛的性质及其分压 大小而变化。是一种半导体材料。
4. 其它原因，如电荷缺陷，辐照缺陷等
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§2.2 点缺陷
第二章 晶体结构缺陷
❖ § 2.1 晶体结构缺陷的类型 ❖ § 2.2 点缺陷 ❖ § 2.3 线缺陷 ❖ § 2.4 面缺陷
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ห้องสมุดไป่ตู้
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。
缺陷对材料性能的影响
(b)单质中的肖特基缺陷 的形成（只形成空位）
图2-6 热缺陷产生示意图
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2.杂质缺陷
定义:亦称为组成缺陷，是由外加杂质的引入所 产生的缺陷（原位质点被杂质质点所取代）。
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。
杂质缺陷对材料性能的影响
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陷。
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6.缔合中心
电性相反的缺陷距离接近到一定程度时， 在库仑力作用下会缔合成一组或一群，产生 一个缔合中心， VM和VX发生缔合,记为 （VMVX）。
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22
二、缺陷反应表示法
对于杂质缺陷而言，缺陷反应方程式的 一般式：
基质
杂质
产生的各种缺陷
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1.写缺陷反应方程式应遵循的原则
本节介绍以下内容： 一、点缺陷的符号表征：Kroger-Vink符号 二、缺陷反应方程式的写法
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一、点缺陷的符号表征:Kroger-Vink符号
以MX型化合物为例：
1.空位（vacancy）用V来表示，符号中的右下标表示缺陷 所在位置，VM含义即M原子位置是空的。
2.间隙原子（interstitial）亦称为填隙原子，用Mi、Xi 来表示，其含义为M、X原子位于晶格间隙位置。
3. 错位原子 错位原子用MX、XM等表示，MX的含义是M原 子占据X原子的位置。XM表示X原子占据M原子的位置。
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4. 自由电子(electron)与电子空穴 (hole)
分别用e，和h· 来表示。其中右上标中的一 撇“，”代表一个单位负电荷，一个圆点“ · ” 代表一个单位正电荷。
5.带电缺陷
在NaCl晶体中，取出一个Na+离子，会在原来
的位置上留下一个电子e，，写成VNa’ ，即代表 Na+离子空位，带一个单位负电荷。同理，Cl－
离子空位记为VCl · ，带一个单位正电荷。
即：VNa’=VNa＋e，，VCl · =VCl＋h·。
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其它带电缺陷：
1)CaCl2加入NaCl晶体时，
与一般的化学反应相类似，书写缺陷反 应方程式时，应该遵循下列基本原则： （1）位置关系 （2）质量平衡 （3）电中性
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（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的格点数/X的格点数 a/b。如NaCl结构中，正负离子格点数之比 为1/1，Al2O3中则为2/3。
若Ca2+离子位于Na+离子位置上，其缺陷符号
为CaNa · ，此符号含义为Ca2+离子占据Na+离子 位置，带有一个单位正电荷。 2)CaZr,,表示Ca2+离子占据Zr4+离子位置，此缺陷 带有二个单位负电荷。
其余的缺陷VM、VX、Mi、Xi等都可以加上对应 于原阵点位置的有效电荷来表示相应的带电缺
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4
(a)空位
(弗仑克尔缺陷 和肖特基缺陷)
(b)杂质质点 (置换)
(c)间隙质点
图2-1 晶体中的点缺陷
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5
2.线缺陷（一维缺陷）
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），如图2-2所示。