ZJ-晶体缺陷
ZJ-晶体缺陷资料
缺陷的分类：
按纯几何的特征对点阵缺陷进行分类：
1. 点缺陷（零维缺陷） 2. 线缺陷（一维缺陷）
3. 面缺陷（二维缺陷） 4. 体缺陷（三维缺陷）
2
点缺陷 点缺陷是指发生在晶格中一个原子尺寸范围内的一 类缺陷。
1. 点缺陷的类型
Schottky 缺陷（肖特基缺陷） Frenkel 缺陷（弗仑克尔缺陷） 点缺陷 有序合金中的错位 置换式 化学缺陷 填隙式
Sm: 空位迁移熵
17
例:
1、Nb的晶体结构为bcc，其晶格常数为0.3294nm, 密度为8.57g/cm3,试求每106中所含的空位数目？
ρ= 2(1-x)Ar/a3NA x = (2Ar-ρa3NA)/2Ar 1-{8.57×(3.294×10-8)3×6.023×1023}/2×92.91 = 7.1766×10-3 106× 7.1766×10-3 = 7176.6
☺ Schottky缺陷的多少会造成晶体表观密度的改变.
例 1 已知金属铝属立方晶系 , 空间点阵型为 cF, 晶格常数 a 为 4.049×10-8 cm , 密度 observed 2.6790g cm3 , 求金属铝单位 体积 (cm3) 中的Schottky缺陷空位数.
theoretical 晶胞中的原子金中的错位
9
置 换 式
填 隙 式
化学缺陷
10
正离子
负离子
11
离子晶体中的点缺陷
1-大的置换原子 2-肖脱基空位 3-异类间隙原子
4-复合空位 5-弗兰克尔空位 6-小的置换原子
12
2. 点缺陷与材料行为
结构变化：晶格畸变（如空位引起晶格收缩，间隙
原子引起晶格膨胀，置换原子可引起收缩或膨胀）。
晶体缺陷的名词解释
晶体缺陷的名词解释晶体缺陷是指晶体结构中存在的不规则性或者失序性，它们可以是由于晶体生长过程中的某些不完美导致的，也可以是在晶体使用过程中形成的。
晶体缺陷对材料的物理性质和化学性质有着重要影响，因此，对晶体缺陷的理解与研究具有重要意义。
一、点缺陷点缺陷是一种在晶体中以原子或原子团为单位存在的不规则性。
点缺陷可以分为两类，即缺陷原子和间隙原子。
缺陷原子是指晶体中一个位置上原子的缺失或替代，而间隙原子是指晶体中非正常晶格位置上的原子存在。
点缺陷的存在对晶体的导电性、热传导性以及光学性质等方面都会产生显著影响。
二、面缺陷面缺陷是指在晶体中存在的二维或三维结构缺陷。
面缺陷可以分为孪生界面、晶界和堆垛层错三类。
孪生界面是晶体内部两个完全互相倒转或者镜像对称的晶体颗粒之间的界面。
晶界是指晶体内部两个晶体颗粒之间的原子排列或晶格编织方式发生转变的区域。
堆垛层错是因为在晶体生长过程中，晶体颗粒之间因堆垛方式的差异而产生的错位。
面缺陷在晶体的力学性能、疲劳机制以及晶体生长等方面具有重要影响。
三、体缺陷体缺陷是指晶体内部原子排列或晶格结构出现不规则性或失序性的缺陷。
体缺陷包括空位、间隙和失序。
空位是指晶体内原子因缺失而导致的晶体结构不完整。
间隙是指晶体中非正常晶格位置上的原子存在。
失序则是指晶体中原子的无序或错位状态。
体缺陷对晶体的机械性能、热膨胀性质以及磁性等方面产生显著影响。
四、缺陷治理缺陷治理是指通过不同的方法和手段对晶体中的缺陷进行修复或改善的过程。
常见的缺陷治理方法包括热退火、添加合金元素和辅助材料等。
热退火是通过加热晶体使缺陷移动并重新排列，从而达到改善晶体结构的目的。
添加合金元素和辅助材料则是通过引入其他原子或化合物来改善晶体的物理性质和化学性质。
总结起来，晶体缺陷是晶体结构中存在的不规则性或失序性。
它们可以是点缺陷、面缺陷或体缺陷。
这些缺陷对晶体材料的性能产生重要影响，因此，研究和理解晶体缺陷的形成和治理具有重要意义。
晶体缺陷
(1 2)
2ClCl CaCl2 KCl Cai 2VK
(1 3)
KCl
表示KCl作为溶剂。 以上三种写法均符合缺陷反应规则。
实际上（1－1）比较合理。
（2） MgO溶解到Al2O3晶格中
2 MgO 2 Mg V Al O 2OO Al2O3
(1－4)
3 MgO 2 Mg Al Mgi 3OO Al2O3
(1－5)
（1－5〕较不合理。因为Mg2+进入间隙位置不易发生。
练习
写出下列缺陷反应式：
(1) MgCl2固溶在LiCl晶体中(产生正离子空位，生成置换型SS)
(2) SrO固溶在Li2O晶体中(产生正离子空位，生成置换型SS)
有些情况下，价电子并不一定属于某个特定位置的原子，在 光、电、热的作用下可以在晶体中运动，原固定位置称次自 由电子（符号e/ ）。同样可以出现缺少电子，而出现电子空 穴（符号h. ),它也不属于某个特定的原子位置。
（6）带电缺陷 不同价离子之间取代如Ca2+取代Na+——Ca · Na Ca2+取代Zr4+——Ca”Zr
Schottky空位的产生
2 杂质缺陷
概念——杂质原子进入晶体而产生的缺陷。原子进入 晶体的数量一般小于0.1%。 种类——间隙杂质 置换杂质 特点——杂质缺陷的浓度与温度无关， 只决定于溶解度。 存在的原因——本身存在
有目的加入(改善晶体的某种性能)
3 非化学计量结构缺陷（电荷缺陷） 存在于非化学计量化合物中的结构缺陷，化合物化学 组成与周围环境气氛有关；不同种类的离子或原子数之比 不能用简单整数表示。如： ;
占据在原来基体原子平衡位置上的异类原 子称为置换原子。 由于原子大小的区别也会造成晶格畸变， 置换原子在一定温度下也有一个平衡浓度值， 一般称之为固溶度或溶解度，通常它比间隙原 子的固溶度要大的多。
《晶体缺陷》课件
热稳定性
晶体缺陷可能影响材料在高温下的稳 定性，降低其使用温度范围。
比热容
晶体缺陷可能影响比热容，改变材料 吸收和释放热量的能力。
光学性能的影响
折射率与双折射
光吸收与散射
晶体缺陷可能导致折射率变化和双折射现 象，影响光学性能。
晶体缺陷可能导致光吸收增强或光散射增 加，改变光学透射和反射特性。
荧光与磷光
热电效应
某些晶体缺陷可能导致热电效应增强，影响 热电转换效率。
介电常数
晶体缺陷可能影响介电常数，改变电场分布 和电容。
电阻温度系数
晶体缺陷可能影响电阻温度系数，改变温度 对电阻的影响。
热学性能的影响
热导率变化
晶体缺陷可能降低材料的热导率，影 响热量传递和散热性能。
热膨胀系数
晶体缺陷可能影响热膨胀系数，影响 材料在温度变化下的尺寸稳定性。
。
韧性下降
晶体缺陷可能导致材料韧性下 降，使其在受到外力时更容易
脆裂。
疲劳性能
晶体缺陷可能影响材料的疲劳 性能，降低其循环载荷承受能
力。
强度与延展性
晶体缺陷可能影响材料的强度 和延展性，从而影响其承载能
力和塑性变形能力。
电学性能的影响
导电性变化
晶体缺陷可能改变材料的导电性，影响其在 电子设备中的应用。
传感器
基于晶体缺陷的原理，可以设计新型传感器，如压力传感 器、温度传感器和气体传感器等，以提高传感器的灵敏度 和稳定性。
在新能源领域中的应用
太阳能电池
在太阳能电池中，可以利用晶体 缺陷来提高光吸收效率和载流子 的收集效率，从而提高太阳能电
池的光电转换效率。
燃料电池
在燃料电池中，可以利用晶体缺陷 来改善电极的催化活性和耐久性， 从而提高燃料电池的性能和稳定性 。
晶体缺陷
三、点缺陷对材料性能的影响
原因：无论那种点缺陷的存在，都会使其附近的原子稍微偏
离原结点位置才能平衡，即造成小区域的晶格畸变。
效果 1) 提高材料的电阻 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)。 2) 加快原子的扩散迁移 空位可作为原子运动的周转站。 3) 形成其他晶体缺陷 过饱和的空位可集中形成内部的 空洞，集中一片的塌陷形成位错。 4) 改变材料的力学性能 空位移动到位错处可造成刃位 错的攀移，间隙原子和异类原子的存在会增加位错的 运动阻力。会使强度提高，塑性下降、
一、按缺陷的几何形态分类
1. 点缺陷
2. 线缺陷
3. 面缺陷
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）
间隙原子（interstitial particle）
异类原子（foreign particle）。 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。
例题 图中阴影面为晶体的滑移面，该晶体 的 ABCD表面有一个圆形标记 ，它 与滑移面相交 ，在标记左侧有根位错线，试问当刃、螺型位错线从晶体左侧滑 移至右侧时，表面的标记发生什么变化？并指出使刃、螺型位错滑移的切应力方 向。 解：根据位错滑移的原理，位错扫过的区域内晶体的上、下方相对于滑移面发生 的位移与柏氏矢量一致 刃型位错：柏氏矢量垂直于位错线 ，因此圆形标记相对滑移面错开了一个原子 间距（即b的模），其外形变化如图（b）所示，应力方向是图中所示的虚线切应 力。 螺型位错，柏氏矢量平行位错线。
二、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。 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”。
晶体缺陷
第5章晶体缺陷在二十世纪初叶，人们为了探讨物质的变化和性质产生的原因，纷纷从微观角度来研究晶体内部结构，特别是X射线衍射的出现，揭示出晶体内部质点排列的规律性，认为内部质点在三维空间呈有序的无限周期重复性排列，即所谓空间点阵结构学说。
前面讲到的都是理想的晶体结构，实际上这种理想的晶体结构在真实的晶体中是不存在的，事实上，无论是自然界中存在的天然晶体，还是在实验室（或工厂中）培养的人工晶体或是陶瓷和其它硅酸盐制品中的晶相，都总是或多或少存在某些缺陷，因为：首先晶体在生长过程中，总是不可避免地受到外界环境中各种复杂因素不同程度影响，不可能按理想发育，即质点排列不严格服从空间格子规律，可能存在空位、间隙离子、位错、镶嵌结构等缺陷，外形可能不规则。
另外，晶体形成后，还会受到外界各种因素作用如温度、溶解、挤压、扭曲等等。
晶体缺陷：各种偏离晶体结构中质点周期重复排列的因素，严格说，造成晶体点阵结构周期势场畸变的一切因素。
如晶体中进入了一些杂质。
这些杂质也会占据一定的位置，这样破坏了原质点排列的周期性，在二十世纪中期，发现晶体中缺陷的存在，它严重影响晶体性质，有些是决定性的，如半导体导电性质，几乎完全是由外来杂质原子和缺陷存在决定的，许多离子晶体的颜色、发光等。
另外，固体的强度，陶瓷、耐火材料的烧结和固相反应等等均与缺陷有关，晶体缺陷是近三、四年国内外科学研究十分注意的一个内容。
根据缺陷的作用范围把真实晶体缺陷分四类：点缺陷：在三维尺寸均很小，只在某些位置发生，只影响邻近几个原子。
线缺陷：在二维尺寸小，在另一维尺寸大，可被电镜观察到。
面缺陷：在一维尺寸小，在另二维尺寸大，可被光学显微镜观察到。
体缺陷：在三维尺寸较大，如镶嵌块，沉淀相，空洞，气泡等。
一、点缺陷按形成的原因不同分三类：1 热缺陷（晶格位置缺陷）在晶体点阵的正常格点位出现空位，不该有质点的位置出现了质点（间隙质点）。
2 组成缺陷外来质点（杂质）取代正常质点位置或进入正常结点的间隙位置。
晶体缺陷ppt
晶体缺陷在温度、压力等外部因素的作用下会发生变化，如点缺陷的迁移、位错 的滑移、晶界的迁移等。这些演变过程会影响晶体的性能和结构。
02
晶体缺陷的类型
点缺陷
弗兰克尔缺陷
在晶体中，原子或离子的一部分占据了应该是另一个原子的 位置，造成晶体结构的不完整性。
肖特基缺陷
在晶体中，一个原子或离子跳到了另一个原子的位置，形成 了一个空位。
位错是金属材料中最常见的晶体缺陷之一，其密度和分布对材
料的力学性能有重要影响。
在金属材料制备和使用过程中，应尽量减少晶体缺陷的产生，
03
以提高金属材料的性能。
功能陶瓷中的晶体缺陷
功能陶瓷的性能与晶体缺陷密切相关，如电导 率、介电常数等。
功能陶瓷中的晶体缺陷包括位错、空位、晶界 等，这些缺陷对材料的物理和化学性能产生重 要影响。
Hale Waihona Puke 06未来展望与挑战晶体缺陷研究的未来方向
发展新的检测技术
随着科学技术的发展，需要不断开发新的检测技术来更准确地识 别和测量晶体缺陷。
深入研究微观机制
进一步深入研究晶体缺陷的微观机制，包括缺陷的形成、扩散、 相互作用等，有助于更好地理解缺陷对材料性能的影响。
发展新型材料
基于对晶体缺陷的深入理解，可以设计和开发具有更优性能的新 型材料。
晶体缺陷的重要性
材料性能影响
晶体缺陷对材料的物理和化学性能具有重要影响，如导电性、导热性、强度 等。
工业应用
在工业上，晶体缺陷的应用也十分广泛，如半导体器件、激光器、太阳能电 池等。
晶体缺陷的产生与演变
产生原因
晶体缺陷的产生主要有两种原因，一是材料制备过程中引入的缺陷，如熔炼、铸 造、热处理等过程中产生；二是晶体生长过程中形成的缺陷，如位错、层错等。
第4章 晶体缺陷
例（如 x=T0i～O21在）还，这原是气一氛种下n形型半成导非体化。学计量化合物TiO2-X
精品文档
4．电荷缺陷 半导体材料受激发，产生电子和空穴载流子，虽未破坏原子排列的周期性，但
是由于孔穴和电子带正和负电荷，因此在它们附近形成了一个附加电场，引 起周期势场的畸变，造成了晶体的不完整性，称电荷缺陷。
精品文档
弗伦克尔（Frenker）缺陷
晶体中正常(zhèngcháng)晶格结点位置上的质点进入间隙位 置，成为间隙质点，原来的结点位置留下了空位，称之为 弗伦克尔缺陷。特点： ① 为介稳态；
② 空位与间隙质点成对出现；
③ 晶体体积不变，晶格常数不发生变化；
④ 缺陷的形成与复合（即间隙质点回到原来结点位置，使缺 陷消失）是动态平衡，在一定温度下有确定的平衡浓度；
层错破坏了晶体的周期(zhōuqī)完整性，引起能量升高，通常把产生单位面积层错所需 要的能量称为层错能。
层错能出现时仅表现在改变了原子的次近邻关系，几乎不产生点阵畸变。所以， 层错能相对于晶界能而言是比较小的。层错能越小的晶体，则层错出现的几率越大。
精品文档
双晶缺陷(quēxiàn)是指晶体双晶接触，或晶体在特定方 向发生塑性变形，变形区原子和未变形区原子在交接处 还是紧密接触（没有晶格失配），这种接触产生的面缺
会产生弹性、塑性变形。在弹 性变形范围内，外力移去，晶 体回到原始形态，当外力超过 晶体的弹性强度，晶体发生塑 性变形，外力移去，晶体不能 回到原始状体。产生了塑性变 形，导致位错产生。
（1）位错的概念
位错是沿滑移面滑移一定 距离而产生。是线性缺陷， 包括刃位错，螺旋位错和位 错环。
晶体缺陷-文档资料
平衡浓度 nN eCeAexkpEvT
11
3.1 点缺陷
实例
Cu晶体的空位形成能μv为0.9ev/atom，或1.44×10-19J/atom， 材料常数A取作1，玻尔兹曼常数k＝1.38×10-23J/K,计算： 1)在500℃下，每立方米Cu中的空位数目； 2) 500℃下的平衡空位浓度。
12
3.1 点缺陷
解：首先确定1m3体积内Cu原子的总数（已知Cu的摩尔质量Mcu＝ 63.54g/mol，500℃ 下Cu的密度ρCu＝8.96×106(g/m3)
N N M 0 C C 6 u .u 0 1 2 6 2 .5 0 3 8 3 . 3 9 4 1 6 6 0 8 .4 1 9 2 / 0 m 8 3
（a）弗仑克尔缺陷的形成 （空位与间隙质点成对出现）
体积不变
8
3.1 点缺陷
肖特基缺陷
正常格点上的原子，热起伏过 程中获得能量离开平衡位置；
跳跃到晶体的表面，在原正常 格点上留下空位。
正负离子空位同时产生 体积增加
（b）单质中的肖特基缺陷的形成
9
一般规律：
3.1 点缺陷
在离子晶体中正负离子半径相差不大时，容易形成肖特 基缺陷，晶体中的缺陷以肖特基缺陷为主；
当正负离子半径相差很大时，容易产生弗仑克尔缺陷， 晶体中的缺陷以弗仑克尔缺陷为主。
10
3.1 点缺陷
3. 热缺陷浓度 热激发 晶体中质点由于获得较大热运动能量而脱离平衡位置的过程 激活能 热激发所需要的最小能量
晶体中大多数质点所具有的热运动能量都不足以克服周围质点的作用 力而脱离平衡位置，只是由于能量起伏，少数热运动能量大于激活能的质 点才能脱离平衡位置，形成热缺陷。
晶体缺陷——精选推荐
第3章晶体缺陷前言前面章节都是就理想状态的完整晶体而言，即晶体中所有的原子都在各自的平衡位置，处于能量最低状态。
然而在实际晶体中原子的排列不可能这样规则和完整，而是或多或少地存在离开理想的区域，出现不完整性。
正如我们日常生活中见到玉米棒上玉米粒的分布。
通常把这种偏离完整性的区域称为晶体缺陷（crystal defect; crystalline imperfection)。
缺陷的产生是与晶体的生成条件、晶体中原子的热运动、对晶体进行的加工过程以及其它因素的作用等有关。
但必须指出，缺陷的存在只是晶体中局部的破坏。
它只是一个很小的量(这指的是通常的情况)。
例如20℃时，Cu的空位浓度为3.8×10－17，充分退火后铁中的位错密度为1012m-2（空位、位错都是以后要介绍的缺陷形态）。
所以从占有原子百分数来说，晶体中的缺陷在数量上是微不足道的。
但是，晶体缺陷仍可以用相当确切的几何图像来描述。
在晶体中缺陷并不是静止地、稳定不变地存在着，而是随着各种条件的改变而不断变动的。
它们可以产生、发展、运动和交互作用，而且能合并消失。
晶体缺陷对晶体的许多性能有很大的影响，如电阻上升、磁矫顽力增大、扩散速率加快、抗腐蚀性能下降，特别对塑性、强度、扩散等有着决定性的作用。
20世纪初，X射线衍射方法的应用为金属研究开辟了新天地，使我们的认识深入到原子的水平；到30年代中期，泰勒与伯格斯等奠定了晶体位错理论的基础；50年代以后，电子显微镜的使用将显微组织和晶体结构之间的空白区域填补了起来，成为研究晶体缺陷和探明金属实际结构的主要手段，位错得到有力的实验观测证实；随即开展了大量的研究工作，澄清了金属塑性形变的微观机制和强化效应的物理本质。
按照晶体缺陷的几何形态以及相对于晶体的尺寸，或其影响范围的大小，可将其分为以下几类：1.点缺陷(point defects) 其特征是三个方向的尺寸都很小，不超过几个原子间距。
如：空位(vacancy)、间隙原子(interstitial atom)和置换原子(substitutional atom)。
ZJ-晶体缺陷资料
15
平衡浓度的推导
平衡判据
F：赫姆霍茨自由能
F U TS
F F 0 n T n T
4
Frenkel 缺陷（空位-间隙缺陷）
5
1.2 肖特基缺陷（Schottky defect）。 在一定温度，晶体中原子由于热涨落获得足够能量， 离开格点位置，迁移至晶体表面，于是在晶体中出现不被 原子占据的空格点，称为空位，也称肖特基缺陷。
肖特基缺陷是最表面的原子位移到一个新的位置， 晶体内不伴随填隙原子产生。因此产生肖特基缺陷时， 伴随表面原子的增多，晶体的质量密度会有所减小。
热振动产生的点缺陷属于热力学平衡缺陷，即
在一定的温度下，晶体中一定存在一定数量的点缺 陷。平衡浓度的点缺陷对材料的力学性能的影响并
不大，但在高温下空位的浓度很高，空位在材料变
形时的作用就不能忽略了。
14
（4）原子或分子的扩散就是依靠点缺陷的运动实现的。
晶体中的点缺陷处于不断的运动状态。当空位周围
原子的热运动动能超过激活能时，就可能脱离原来的结
38
对材料化学性能的影响
• 位错区域能量高，有利于化学反应的成核。 • 从微观来看，位错线是有一定宽度的管道，它 们可以组成列管式的小角度晶界，或者发生交互 作用形成四通八达的三维网络，加快粒子的扩散 及化学反应。
39
透射电子显微镜下观察到不锈钢的位错线与位错线缠结
40
位错的高分辨图像
41
晶体缺陷
KF = exp( EF
T——绝对温度 绝对温度
KF
)
K—波尔兹曼常数 波尔兹曼常数K=1.38×10-33J/K 波尔兹曼常数 ×
由此得
ni = N N i exp( Ef RT )
在晶体中N= Ni，则 在晶体中
ni = exp( Ef ) 2 RT N
式中n 式中 i/N——弗仑克尔缺陷的浓度 弗仑克尔缺陷的浓度 该式表示弗仑克尔缺陷浓度与缺陷生成能及 温度有关系。 温度有关系。
′ ′ ′ ′ V Na + Vcl = (V NaVcl )
缺陷作为化学物质， 缺陷作为化学物质 ， 则可同一般化学反 应一样可应用质量作用定律。 应一样可应用质量作用定律。 在写缺陷反应方程式时， 在写缺陷反应方程式时 ， 必须遵循以下 原则： 原则： 1、位置关系 化学物M X=a： 化学物MaXb中，M：X=a：b永远不变 Mg：O=1 MgO Mg：O=1：1
Cacl 2 ( S ) → CaL + Vk + 2Cl Cl
Kcl
式中不带电，实际上，都是离子性材料，应为 式中不带电，实际上，都是离子性材料， CaCl2，KCl均为强离子材料，考虑到氧化 均为强离子材料， 均为强离子材料
Kcl Cacl 2 ( S ) → Ca ′′ + 2Vk′ + 2Cl Cl
缺陷深度不大时，nv＜ N
nv Es = exp( ) N 2 RT
与弗仑克尔公式相比，具有一样的形式， 与弗仑克尔公式相比，具有一样的形式， 则可以归纳为： 则可以归纳为：
n E = exp( ) N 2 RT
式中： 式中：n/N——缺陷浓度 缺陷浓度 E——缺陷生成能 缺陷生成能
浅谈晶体缺陷
浅谈晶体缺陷摘要：晶体缺陷成就了性能的多样性。
晶体缺陷对晶体生长、晶体的力学性能、电学、磁学和光学性能等均有着极大影响，在生产上和科研中都非常重要，是固体物理、固体化学、材料科学等领域的重要基础内容。
研究晶体缺陷因此具有了尤其重要的意义。
针对晶体缺陷的概念、理论研究过程及进展、晶体缺陷与晶体性能的关系、关于晶体缺陷一些重要概念的理解，进行了文献查阅和资料整理，并结合个人看法，形成论文一篇。
关键词：晶体缺陷、概念描述、分类方法、理论研究、性能影响、概念区分一、晶体缺陷的概念在理想完整晶体中，原子按一定的次序严格地处在空间有规则的、周期性的格点上。
但在实际的晶体中，由于原子（分子或离子）的热运动、晶体形成条件、冷热加工过程及其它辐射、杂志等因素的影响，原子的排列不可能那样完整和规则，往往存在偏离了理想晶体结构的区域。
我们把实际晶体中偏离理想完整点阵的部位或结构称为晶体缺陷（defects of crystals）。
它的存在破坏了晶体的完美性和对称性。
二、晶体缺陷的分类（一）按缺陷的几何形态分类1.点缺陷（又称零维缺陷）：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。
固体材料中最基本和最重要的晶体缺陷是点缺陷，包括空位（vacancy）、间隙原子（interstitial particle）、异类原子（foreign particle）等本征缺陷和杂质缺陷。
2.线缺陷（又称一维缺陷、位错）：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。
3.面缺陷（又称二维缺陷）：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。
4.体缺陷（又称三维缺陷）：晶体中在三维方向上相对尺度比较大的缺陷，和基质晶体已经不属于同一物相，是异相缺陷。
（二）按缺陷产生的原因分类1.热缺陷（又称本征缺陷）:由热起伏的原因所产生的空位或间隙质点（原子或离子）。
3 晶体缺陷
若位错分解, 各位错柏氏矢量之和等于原位错的柏 氏矢量。若有数根位错线相交于一点(称为位错结点)，则
指向结点的各位错线的柏氏矢量之和应等于离开结点的各位 错线的柏氏矢量之和.
柏氏矢量与回路起点及其具体途径无关。(如果 规定了位错线的正向，并按右螺旋法则确定回 路方向，那么一根位错线的柏氏矢量就是恒定 不变的。) 只要不和其他位错线相遇，不论回路 怎样扩大、缩小或任意移动，由此回路确定的 柏氏矢量是唯一的，即柏氏矢量的守恒性。
out
28
一根位错线具有唯一的柏氏矢量。
15Βιβλιοθήκη 刃型位错结构的特点1. 有一个额外的半原子面。一般把多出的半原子面 在滑移面上边的称为正刃型位错，记为“⊥”； 多出在下边的称负刃型位错。记号而已。
2. 刃型位错线可理解为晶体中已滑移区与未滑移区 的边界线。可以是直线、折线或曲线，但必与滑 移方向相垂直，也垂直于滑移矢量.
out
16
3. 滑移面必定是同时包含有位错线和滑移矢量的平 面，在其他面上不能滑移。( 由于刃型位错中，位 错线与滑移矢量互相垂直，由它们所构成的平面 只有一个)。
位错移动一个原子间距,
而附近原子只移动很小
out
距离.因此,位错运动只需 很小的切应力. 这就是整
体移动理论与实际3相3 差
甚远的原因.
注意: 滑移时，刃型位错的运动方向始终垂直位错 线而平行柏氏矢量。刃型位错的滑移面就是由位错线 与柏氏矢量所构成的平面，因此刃型位错的滑移限于 单一的滑移面上。
螺型位错的运动 方向始终垂直位 错线和柏氏矢量
一文看懂晶体缺陷
⼀⽂看懂晶体缺陷晶体缺陷就是实际晶体中偏离理想结构的不完整区域。
晶体缺陷根据晶体中结构不完整区域的形状及⼤⼩, 晶体缺陷常分为如下三类:01点缺陷①脱位原⼦⼀般进⼊其他空位或者逐渐迁移⾄晶界或表⾯，这样的空位通常称为肖脱基空位或肖脱基缺陷。
②晶体中的原⼦有可能挤⼊结点的间隙，则形成另⼀种类型的点缺陷---间隙原⼦，同时原来的结点位置也空缺了，产⽣另⼀个空位，通常把这⼀对点缺陷（空位和间隙原⼦）称为弗兰克尔缺陷。
③置换原⼦缺陷等类型点缺陷类型动图：离⼦晶体的点缺陷④离⼦晶体中点缺陷要求保持局部电中性，常见的两种点缺陷：肖脱基缺陷：等量的正离⼦空位和负离⼦空位。
弗兰克尔缺陷：等量的间隙原⼦、空位。
离⼦晶体中的点缺陷动图：⑤点缺陷源于原⼦的热振动，故其平衡浓度随着温度升⾼指数增加。
点缺陷数量明显超过平衡值时叫过饱和点缺陷，产⽣原因为淬⽕、辐照、冷塑性变形。
温度导致点缺陷变化动图：位错攀移引起点缺陷的变化动图：02刃位错的形成①刃型位错⼀晶体中半原⼦⾯边缘周围的原⼦位置错排区。
刃位错的形成动图：②螺型位错——晶体中螺旋原⼦⾯轴线周围的原⼦位置错排区。
螺位错的形成动图：③混合位错——原⼦位置错拝区中既有半原⼦⾯也有螺旋原⼦⾯的位错。
混合位错动图：④位错的滑移刃位错的运动动图：螺位错的运动动图：⑤位错的攀移攀移运动动图：攀移的原⼦模型：⑥伯⽒⽮量的确定先在有位错的晶体中⽤⼀闭合回路包围位错线，回路应远离位错中⼼晶格严重畸变区。
再在理想晶体中作⼀相同回路，但该回路的终点与起点并不重合。
从终点向起点作⼀⽮量使两点相连，该⽮量定义为该位错的柏⽒⽮量。
伯⽒⽮量的确定动图：03⾯缺陷有晶界、孪晶界、相界、表⾯等分类。
孪晶界动图：扭转晶界的形成动图：。
晶体缺陷综述
我们将晶体结构中存在的缺陷分为三类：
（1）点缺陷，其特征是所有方向的尺寸都很小，亦称零维缺陷，例如空位、填隙原子、杂质原子等。
（2）线缺陷，其特征是两个方向都很小，亦称为一维缺陷，例如各种类型的位错。
（3）面缺陷，其特征是只有一个方向的尺寸很小，亦称二维缺陷，例如晶体表面
、晶孪晶界、相界和堆垛层错等。
（1）破坏点阵的周期排列；
（2）晶体产生膨胀，形成一个空位约增加0.5原子体积；
（3）引起点阵畸变（少量的）
如果在点阵的间隙位置挤入一个同类原子就形成了一个填隙原子，它的几何组态比较复杂。以面心立方为例，它的最大间隙为八面体的位置，可以容纳直径为0.44d（d为原子半径）的原子大小。其次是四面体位置，只能容纳直径为0.0443d的原子大小。这样看来，填隙原子只能进入八面体的位置，即使这样也要把周围的原子挤开。实际上可以把填隙原子与点阵的一个原子放在对分位置，利用两个八面体位置，这样可以使周围的原子挤开少一点。所以在面心立方的晶体中的填隙原子处于一下三种位置：
热缺陷分为肖特基缺陷和弗伦克尔缺陷。晶体中的原子脱离阵点后，跑到晶体表面上正常阵点的位置，构成新的一层原子层，而晶体内部形成空位，称为肖特基缺陷。相反地，晶体表面上的原子跑到晶体内部的间隙位置，这时晶体内部存在有填隙原子，称反肖特基缺陷，在一定温度下，晶体内部的空位或填隙原子和晶体表面上的原子处于平衡状态。晶体内部原子脱离阵点后，跑到间隙位置，同时形成填隙原子和空位，称为弗伦克尔缺陷。在这种情况下，空隙和填隙原子的数目相等。在一定温度下，弗伦克尔缺陷的产生和复合处于平衡状态。以上所指的是单元晶体，对于二元或二元以上的晶体，情况比较复杂，弗伦克尔缺陷及肖特基缺陷可能同时存在，空位可能结合成空位对，空位群，空位片等，通过淬火辐照及冷加工等可以在非热力学平衡下产生以上两种基本缺陷。
晶体缺陷1
3、肖特基和弗兰克尔空位
脱离了平衡位置的原子，我们称为离位原子。 离位原子的去向： (1)离位原子迁移到晶体内部原有的空位上，此时， 空位数目不发生变化。
（2）离位原子迁移到晶体表面或晶界，此时在晶
体内部留下的空位叫肖特基空位，如图a所示。
（3）离位原子挤入晶体的间隙位置，在晶体内部 同事形成空位和间隙原子，这种空位叫弗兰克尔空位， 如图b所示。
特 征 ： 一 个 方 向 尺寸很 小，另 两个方 向尺寸 很大 代 表 ： 晶 界 、 相界 、 层 错 等
1、点缺陷的类型
空位 两种基本类型 间隙原子
2、点缺陷形成的物理模型
点缺陷形成最重要的环节是原子的振动。晶体中的原
子在其所处的原子相互作用环境中受到两种作用力：
(1)原子间的吸引力。 (2)原子间的排斥力。 在这对作用力的平衡条件下，原子有各自的平衡位置。 重要的是原子在这个平衡位置上不是静止不动，而是以一 定的频率和振幅作振动，这就是原子的热振动。
20130902021
2013年10月14日
一 、 晶体缺陷概述 二 、 晶体缺陷的分类 三 、 点缺陷
大多数固体是晶体，晶体以其特殊构型被人们 最早认识
人们理解的“固体物质”主要是指晶体
在晶体理论发展中，空间点阵的概念非常重要。
空间ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ阵的基本思想：
空间点阵中，用几何上规则的点来描述晶体中 的原子排列，并连成格子，这些点被称为格点，格
平衡浓度的计算不作具体介绍
6、点缺陷对金属性能的影响
（1）使金属体积膨胀，密度减小 （2）使电阻增加 （3）对高温下进行的过程起重要作用
之 一、万 分之 一的缺 陷， 对晶体 的性 能产生 了不 容小视 的作 用。 这 种 影 响无 论在微 观或宏 观上都 具有相 当的重 要性 。
4 晶体缺陷
一、点缺陷
• 类型： • 空位（Vacancy）：由于某种原因，原子脱离正常格 点，在原来的位置上留下原子空位，或者说空位就 是未被占领的原子位置。
（a） 肖脱基（Schottky）空位: 离位原子进入其它空位或迁 移至晶界或表面。 （b）弗兰克尔（Frenkel）缺陷:离位原子进入晶体间隙。
• 间隙原子（Interstitial atom）：
晶体缺陷（Crystal Defect）
晶体结构完整地有规则排列只是理想情况。由于原子的热振 动以及晶体的形成过程、加工过程及使用过程受到种种条件的影 响，在实际的晶体结构中，原子（离子、原子团）并非完整地完 全有规律排列的，它存在各种不完整性，即晶体缺陷。根据缺陷 的尺寸特征，可以分为三类 ： ①点缺陷（Point Defect）：晶体中的空位、间隙原子、杂质原子等 是点缺陷。 ②线缺陷（LineDefect）：晶体中的位错就是线缺陷。 ③面缺陷（Plane Defect）：晶体中的晶界、相界、晶体表面、堆垛 层错等是面缺陷。 尽管从整个晶体来看，原子（离子，原子团）是规则排列的，但在 微观区域却存在不规则性（缺陷），这些不规则性对晶体很多物理化学 过程以及性质起重要作用，它们在这些过程中常常扮演主要角色，而晶 体的规则性只退居为舞台的背景。
令： d F / d n E T S k T l nl n n N n 0 V f
n CV exp(S f / k ) exp( EV / kT ) A exp( EV / kT ) N n
式中A=exp(ΔSf/k)，由振动熵决定，约为1～10。 上式表示的是空位平衡浓度和空位形成能以及温度之间的关 系，由于间隙原子的形成能较大，在相同温度下，间隙原子浓度
晶体缺陷及其应用
晶体缺陷及其应用摘要少量晶体缺陷对于晶体的物理性能能够产生重要影响，所以可以根据不同的晶体缺陷，开发利用其产生的影响，充分发挥可能产生的作用，研究并制备具有不同性能的材料，以适应人们不同的实际需要和时代的发展需求。
关键词晶体缺陷性能铁磁性电阻半导体材料引言在讨论晶体结构时，我们认为晶体的结构是三维空间内周期有序的，其内部质点按照一定的点阵结构排列。
这是一种理想的完美晶体，它在现实中并不存在，只作为理论研究模型。
相反，偏离理想状态的不完整晶体，即有某些缺陷的晶体，具有重要的理论研究意义和实际应用价值。
所有的天然和人工晶体都不是理想的完整晶体，它们的许多性质往往并不决定于原子的规则排列，而决定于不规则排列的晶体缺陷。
晶体缺陷对晶体生长、晶体的力学性能、电学性能、磁学性能和光学性能等均有着极大影响，在生产上和科研中都非常重要，是固体物理、固体化学、材料科学等领域的重要基础内容。
研究晶体缺陷因此具有了尤其重要的意义。
本文着重对晶体缺陷及其对晶体的影响和应用进行阐述。
1.晶体缺陷的定义和分类1.1 晶体缺陷的定义在理想的晶体结构中，所有的原子、离子或分子都处于规则的点阵结构的位置上，也就是平衡位置上。
1926 年Frenkel 首先指出，在任一温度下，实际晶体的原子排列都不会是完整的点阵，即晶体中一些区域的原子的正规排列遭到破坏而失去正常的相邻关系。
我们把实际晶体中偏离理想完整点阵的部位或结构称为晶体缺陷（defects of crystals）[1]。
1.2 晶体缺陷的分类1.2.1、按缺陷的几何形态分类可分为四类：点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷。
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）、间隙原子（interstitial particle）、异类原子（foreign particle）。
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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Frenkel 缺陷（空位-间隙缺陷）
5
1.2 肖特基缺陷（Schottky defect）。 在一定温度，晶体中原子由于热涨落获得足够能量，离 开格点位置，迁移至晶体表面，于是在晶体中出现不被原 子占据的空格点，称为空位，也称肖特基缺陷。
肖特基缺陷是最表面的原子位移到一个新的位置，晶 体内不伴随填隙原子产生。因此产生肖特基缺陷时，伴 随表面原子的增多，晶体的质量密度会有所减小。
F U TS U：内能 S：熵 F F 0 n T n T
x
Stirling 公式： ln x! ln xdx x ln x x 1
• 假设条件:
（1）晶体体积保持常数，不随温度而变；每个缺陷的能量 与温度无关； （2）缺陷间没有相互作用，彼此独立无关； （3）空位及间隙原子的存在不改变点阵振动的本征频率。
晶体的缺陷
在实际晶体中，由于原子（或离子、分子）的 热运动，以及晶体的形成条件、冷热加工过程和其 它辐射、杂质等因素的影响，实际晶体中原子的排 列不可能那样规则、完整，常存在各 种偏离理想 结构的情况，即晶体缺陷。晶体缺陷对晶体的性能， 特别是对那些结构敏感的性能，如屈服强度、断裂 强度、塑性、电阻率、磁导率等有很大的影响。另 外晶体缺陷还与扩散、相变、塑性变形、再结晶、 氧化、烧结等有着密切关系。因此，研究晶体缺陷 具有重要的理论与实际意义。
人们是从研究晶体的塑性变形中才认识到晶体中存在着位错。 位错对晶体的强度与断裂等力学性能起着决定性的作用。同时， 位错对晶体的扩散与相变等过程也有一定的影响。
2.6997g • cm3
空位数 / cm3 (theoretical observed) / mAl原 子 4.620 1020 / c7m 3
Schottky 缺陷（空位缺陷）
8
有序合金中的错位
9
填
置
隙
换
式
式
化学缺陷
10正离子负离子来自离子晶体中的点缺陷 11
1-大的置换原子 2-肖脱基空位 3-异类间隙原子
106× 7.1766×10-3 = 7176.6
18
19
第二部分 位错概念与位错几何
20
线缺陷（位错）
当晶体内沿着某一条线附近的原子排列发生畸变，破坏了 晶格周期性时就形成了线缺陷。线缺陷就是“位错”。
位错是晶体中已滑移区和未滑移区的交线，位错线并不是 几何学所定义的线，从微观看来，它是有一定宽度的管道。
☺ Schottky缺陷的多少会造成晶体表观密度的改变.
例1 已知金属铝属立方晶系, 空间点阵型为cF, 晶格常数a为
4.049×10-8 cm , 密度 observed 2.6790g • cm 3, 求金属铝单位
体积 (cm3) 中的Schottky缺陷空位数.
theoretical 晶胞中的原子数×原子量/No×a3 = 4×26.98/6.022×1023×(4.049×10-8)3 g • cm 3 /cm3
4-复合空位
5-弗兰克尔空位
6-小的置换原子
12
2. 点缺陷与材料行为
➢ 结构变化：晶格畸变（如空位引起晶格收缩，间隙
原子引起晶格膨胀，置换原子可引起收缩或膨胀）。
➢ 性能变化：点缺陷可以使材料的物理性质与力学
性质产生变化。
（1）引起金属材料电阻的增加。
晶体中存在点缺陷时，破坏了原子排列的规律性， 使电子迁移时的散射增加，从而增加了电阻。 （2）晶体密度下降。 空位的存在使晶体的密度下降。
有序合金中的错位
化学缺陷
置换式 填隙式
本征缺
陷
3
1.1 弗仑克尔缺陷（Frenkel defect）
金属和离子晶体中都会由于热运动的能量涨 落，使原子或离子脱离格点进入晶体中的间隙位 置，从而同时出现空位和填隙原子（离子）。这 种成对的空位和填隙原子称为弗仑克尔缺陷。
在离子晶体中，正、负离子都可以各自形成 “空穴—填隙离子对”（弗仑克尔缺陷）。
注意
形成填隙原子时，原子挤入间隙位置所需要的能量比 产生肖特基空位所需能量大，因此当温度不太高时，肖 特基缺陷的数目要比弗仑克尔缺陷的数目大得多。
6
Schottky缺陷的特点：
☺ 对于离子晶体, 带有正、负电荷的Schottky缺陷是成对出现
的; 而金属晶体的Schottky缺陷则只会形成“体相空洞”;
例:
1、Nb的晶体结构为bcc，其晶格常数为0.3294nm, 密度为8.57g/cm3,试求每106中所含的空位数目？
ρ= 2(1-x)Ar/a3NA
x = (2Ar-ρa3NA)/2Ar
1-{8.57×(3.294×10-8)3×6.023×1023}/2×92.91
= 7.1766×10-3
1
缺陷的分类： 按纯几何的特征对点阵缺陷进行分类：
1. 点缺陷（零维缺陷） 2. 线缺陷（一维缺陷） 3. 面缺陷（二维缺陷） 4. 体缺陷（三维缺陷）
2
点缺陷
点缺陷是指发生在晶格中一个原子尺寸范围内的一 类缺陷。
1. 点缺陷的类型
点缺陷
Schottky 缺陷（肖特基缺陷）
Frenkel 缺陷（弗仑克尔缺陷）
16
与点缺陷有关的能量与频率
• 空位形成能：Ev
原子-〉晶体表面 =电子能+畸变能
平衡浓度：
C Aexp(Qf / RT )
热力学稳定的缺陷： 产生与消亡达致平衡
• 空位迁移频率：
K为玻尔漫常数1.38×10-23J/K vo为点缺陷周围原子的振动频率
z点缺陷周围原子配位数
Em : 空位迁移能
0Zexp(Em / kT)exp(Sm / k) Sm: 空位迁移熵 17
子的热运动动能超过激活能时，就可能脱离原来的结点 位置而跳跃到空位。正是依据这一机制，空位发生不断 的迁移，同时伴随原子的反向迁移。间隙原子也在晶格 的间隙中不断运动。空位和间隙原子的运动是晶体内原 子扩散的内部原因，原子的扩散就是依靠点缺陷的运动 而实现的。
15
平衡浓度的推导
平衡判据
F：赫姆霍茨自由能
13
（3）高温蠕变。 空位的存在及其运动是晶体高温下发生蠕变的重要原因。 热振动产生的点缺陷属于热力学平衡缺陷，即在 一定的温度下，晶体中一定存在一定数量的点缺陷。 平衡浓度的点缺陷对材料的力学性能的影响并不大， 但在高温下空位的浓度很高，空位在材料变形时的 作用就不能忽略了。
14
（4）原子或分子的扩散就是依靠点缺陷的运动实现的。 晶体中的点缺陷处于不断的运动状态。当空位周围原