第4章晶体结构缺陷PPT课件
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第4章实际晶体结构中的位错ppt课件
分增加的能量称为堆垛层错能，用 表示。从能
量的观点来看，晶体中出现层错的几率与层错能 有关，层错能越高，则出现层错的几率越小。如 在层错能很低的奥氏体不锈钢中，常可看到大量 的层错，而在层错能高的铝中，就看不到层错。
4.4.2 不全位错(Partial Dislocation)
若堆垛层错不是发生在晶体的整个原子 面上而只是部分区域存在，那么，在层错与 完整晶体的交界处就存在柏氏矢量不等于点 阵矢量的不全位错。在面心立方晶体中有两 种重要的不全位错：肖克莱（Shockley）不 全位错和弗兰克（Frank）不全位错。
如果把单位晶胞(Unit Cell)中通过坐标原点O的(111)面 上的原子，也作如上投影，那么可以看到，该面上原 子中心投影位置与C层原子中心投影位置是相同的。 由于晶体点阵的对称性和周期性，面心立方晶体(111) 密排面上的原子在该面上的投影位置是按A、B、C三 个原子面的原子投影位置进行周期变化的。可以记为： ABCABCA…，这就是面心立方晶体密排面的正常堆 垛顺序。如果用记号△表示原子面以AB、BC、CA… 顺序堆垛，▽表示相反的顺序，如BA、AC、CB…， 那么面心立方晶体密排面的正常堆垛又可以表示为： △△△△△，如图4.1（d）所示。
位错反应能否进行，取决于下列两个条件：
A 几何条件
根据柏氏矢量的守恒性，反应后诸位错的柏氏矢量之
和应等于反应前诸位错的柏氏矢量之和，即
B 能量条件
bi bk
（4-1）
从能量角度要求，位错反应必须是一个伴随着能量降
低的过程。由于位错的能量正比于其柏氏矢量的平方，所
以，反应后各位错的能量之和应小于反应前各位错的能量
根据其柏氏矢量与位错线的夹角关系，它既可以是纯 刃型的，也可以是纯螺型的，见图4.5。
量的观点来看，晶体中出现层错的几率与层错能 有关，层错能越高，则出现层错的几率越小。如 在层错能很低的奥氏体不锈钢中，常可看到大量 的层错，而在层错能高的铝中，就看不到层错。
4.4.2 不全位错(Partial Dislocation)
若堆垛层错不是发生在晶体的整个原子 面上而只是部分区域存在，那么，在层错与 完整晶体的交界处就存在柏氏矢量不等于点 阵矢量的不全位错。在面心立方晶体中有两 种重要的不全位错：肖克莱（Shockley）不 全位错和弗兰克（Frank）不全位错。
如果把单位晶胞(Unit Cell)中通过坐标原点O的(111)面 上的原子，也作如上投影，那么可以看到，该面上原 子中心投影位置与C层原子中心投影位置是相同的。 由于晶体点阵的对称性和周期性，面心立方晶体(111) 密排面上的原子在该面上的投影位置是按A、B、C三 个原子面的原子投影位置进行周期变化的。可以记为： ABCABCA…，这就是面心立方晶体密排面的正常堆 垛顺序。如果用记号△表示原子面以AB、BC、CA… 顺序堆垛，▽表示相反的顺序，如BA、AC、CB…， 那么面心立方晶体密排面的正常堆垛又可以表示为： △△△△△，如图4.1（d）所示。
位错反应能否进行，取决于下列两个条件：
A 几何条件
根据柏氏矢量的守恒性，反应后诸位错的柏氏矢量之
和应等于反应前诸位错的柏氏矢量之和，即
B 能量条件
bi bk
（4-1）
从能量角度要求，位错反应必须是一个伴随着能量降
低的过程。由于位错的能量正比于其柏氏矢量的平方，所
以，反应后各位错的能量之和应小于反应前各位错的能量
根据其柏氏矢量与位错线的夹角关系，它既可以是纯 刃型的，也可以是纯螺型的，见图4.5。
《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 。
材料微观结构第四章晶体中的位错与层错2PPT课件
概况2
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概况3
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2
4.3.3 全位错分解、层错、扩展位错
面缺陷，与材料的力学性能很相关
层错与全位错的分解密切相关
不全位错（层错和完整晶体的边界） 扩展位错
3
位错反应
位错具有很高的能量,因此它是不稳定的.在
实际晶体中,组态不稳定的位错可以转化为组 态稳定的位错,这种位错之间的相互转化称为 位错反应.位错反应的结果是降低体系自由能.
16
从面心立方金属中的位 错―汤普森作图法可知
对应着： AC－＞δC＋A δ
17
扩展位错----
通常把一个全位错分解为两个不全位错，中间夹着一个堆垛层错的整个位 错组态称为扩展位错
由图可知，a/6[-211]和a/6[1-12]两个不全位错之间的 夹角为60度，它们之间有一 斥力，因相斥而分开，中间 夹着一片层错，两不全位错
为节点，称为束集，如图C点。此处原来分解了的两个不全
位错重新合并成为全位错。
23
形成束集所需之能量
1.不全位错间距缩小 2.束集附近位错形成弧线增加了应变能 3.因为位错线增长而增加的能量
上节课内容回顾
根据原子的滑移方向和位错线取向的几何 特征不同，位错可以分为哪几种类型？都 是什么样的？
什么是柏氏矢量b？能量最稳定的b是怎样 的？
位错按照b是否为点阵周期的整数倍可以分 为哪几种位错，哪一个能量上最稳定？
什么是柏氏矢量的守恒性？
1
整体概况
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该位错反应能够进行
6
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概况3
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2
4.3.3 全位错分解、层错、扩展位错
面缺陷，与材料的力学性能很相关
层错与全位错的分解密切相关
不全位错（层错和完整晶体的边界） 扩展位错
3
位错反应
位错具有很高的能量,因此它是不稳定的.在
实际晶体中,组态不稳定的位错可以转化为组 态稳定的位错,这种位错之间的相互转化称为 位错反应.位错反应的结果是降低体系自由能.
16
从面心立方金属中的位 错―汤普森作图法可知
对应着： AC－＞δC＋A δ
17
扩展位错----
通常把一个全位错分解为两个不全位错，中间夹着一个堆垛层错的整个位 错组态称为扩展位错
由图可知，a/6[-211]和a/6[1-12]两个不全位错之间的 夹角为60度，它们之间有一 斥力，因相斥而分开，中间 夹着一片层错，两不全位错
为节点，称为束集，如图C点。此处原来分解了的两个不全
位错重新合并成为全位错。
23
形成束集所需之能量
1.不全位错间距缩小 2.束集附近位错形成弧线增加了应变能 3.因为位错线增长而增加的能量
上节课内容回顾
根据原子的滑移方向和位错线取向的几何 特征不同，位错可以分为哪几种类型？都 是什么样的？
什么是柏氏矢量b？能量最稳定的b是怎样 的？
位错按照b是否为点阵周期的整数倍可以分 为哪几种位错，哪一个能量上最稳定？
什么是柏氏矢量的守恒性？
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该位错反应能够进行
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《材料科学基础》课件之第四章----04晶体缺陷
41
刃位错：插入半原子面，位错上方，原子间距变小， 产生压应变，下方原子间距变大，拉应变。过渡处 切应变，滑移面处有最大切应力，正应力为0。x NhomakorabeaGb
2 (1 )
y(3x2 (x2
y2) y2 )2
y
Gb
2 (1
)
y(x2 y2) (x2 y2)2
z ( x y )
x
xy
Gb
2 (1 )
21
刃位错b与位错线 垂直
螺位错b与位错线 平行
bb
l
l
正
负
b
b
右旋
左旋
任意一根位错线上各点b相同，同一位错只有一个b。
有大小的晶向指数表示
b a [uvw] 模 n
b a u2 v2 w2 n
22
Burgers矢量合成与分解：如果几条位错线在晶体内
部相交（交点称为节点），则指向节点的各位错的伯氏矢量 之和，必然等于离开节点的各位错的伯氏矢量之和 。
不可能中断于晶体内部（表面露头，终止与 晶界和相界，与其他位错相交，位错环）
半原子面及周围区域统称为位错
18
2. 螺位错
晶体在大于屈服值的切应力作用下，以某晶面为滑移面发生滑移。由于位错线周围 的一组原子面形成了一个连续的螺旋形坡面，故称为螺位错。
几何特征：位错线与原子滑移方向相平行；位错线周围原子的配置是螺旋状的。
d
34
六、位错应变能
位错原子偏移正常位置，产生畸变应力， 处于高能量状态，但偏移量很小，晶格为弹 性应变。
位错心部应变较大，超出弹性范围， 但这部分能量所占比例较小， <10%，可以近似忽略。
35
1. 理论基础：连续弹性介质模型
《晶体结构缺陷》PPT课件
面缺陷的取向及分布与材料的断裂韧性有关。
精选课件
8
图2-3 面缺陷－晶界
精选课件
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)
精选课件
10
图２－５ 面缺陷－共格晶面 面心立方晶体中{111}面反映孪晶
精选课件
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
精选课件
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ห้องสมุดไป่ตู้陷等
精选课件
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。
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
精选课件
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。
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4
(a)空位
(弗仑克尔缺陷 和肖特基缺陷)
精选课件
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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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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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ห้องสมุดไป่ตู้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。
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
精选课件
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。
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4
(a)空位
(弗仑克尔缺陷 和肖特基缺陷)
西北工业大学材料考研材料科学基础PPT课件
2.力学性能：
（1）弹性模量是材料应力-应变曲线上弹性变 形段的斜率，在拉伸变形中通常称它为杨式模量， 以E表示。而结合键能是影响弹性模量的主要因 素，结合键能越大，则“弹簧”越“硬”，原子 之间距离的移动所需要的外力就越大，即弹性模 量越大。如金刚石具有最高的弹性模量值， E=1000GPa；其他一些工程陶瓷如碳化物、氧化 物等结合键能也较高，它们的弹性模量为250600GPa；由金属键结合的金属材料，弹性模量略 低些，一般约为70-350GPa；而聚合物由于二次 键的作用，弹性模量仅为0.7-3.5GPa。
质上是一个裸露的质子，对另一个电负性值较
大的原子Y表现出较强的吸引力，这样，氢原子
便在两个电负性很强的原子（或原子团）之间形
成一个桥梁，把二者结合。起来，成为氢键。所
以氢键可以表达为：X-H—Y。
氢与X原子
（或原子团）为离子键结合，与Y之间为氢键结
合，通过氢键将X、Y结合起来，X与Y可以相同或
不同。
正由于大多数工程材料的结合键是混合 的，混合的方式比例又随材料的组成而变， 因此材料的性能可在很广的范围变化。从
而满足工程实际各种不同的需要。
（4）结合键的本质及原子间距
固体中原子是依靠结合键力结合起来的
不论是何种类型的结合键，固体原子间 总 存在着两种力：一是吸引力，来源于电荷 间的静电吸引；二是同种电荷之间的排斥 力。当距离很远时，排斥力很小，只有当 原子间接近至电子轨道互相重叠时，排斥 与吸引力相等，两原子便稳定在此相对位 置上，这一距离r0相当于原子的平衡距离， 或称为原子间距。当原子距离被外力拉开 时，吸引力则力图使它们回到平衡距离r0
料硬而脆。原子排列不紧密，晶体结构复杂， 故共价键晶体陶瓷密度低。
（1）弹性模量是材料应力-应变曲线上弹性变 形段的斜率，在拉伸变形中通常称它为杨式模量， 以E表示。而结合键能是影响弹性模量的主要因 素，结合键能越大，则“弹簧”越“硬”，原子 之间距离的移动所需要的外力就越大，即弹性模 量越大。如金刚石具有最高的弹性模量值， E=1000GPa；其他一些工程陶瓷如碳化物、氧化 物等结合键能也较高，它们的弹性模量为250600GPa；由金属键结合的金属材料，弹性模量略 低些，一般约为70-350GPa；而聚合物由于二次 键的作用，弹性模量仅为0.7-3.5GPa。
质上是一个裸露的质子，对另一个电负性值较
大的原子Y表现出较强的吸引力，这样，氢原子
便在两个电负性很强的原子（或原子团）之间形
成一个桥梁，把二者结合。起来，成为氢键。所
以氢键可以表达为：X-H—Y。
氢与X原子
（或原子团）为离子键结合，与Y之间为氢键结
合，通过氢键将X、Y结合起来，X与Y可以相同或
不同。
正由于大多数工程材料的结合键是混合 的，混合的方式比例又随材料的组成而变， 因此材料的性能可在很广的范围变化。从
而满足工程实际各种不同的需要。
（4）结合键的本质及原子间距
固体中原子是依靠结合键力结合起来的
不论是何种类型的结合键，固体原子间 总 存在着两种力：一是吸引力，来源于电荷 间的静电吸引；二是同种电荷之间的排斥 力。当距离很远时，排斥力很小，只有当 原子间接近至电子轨道互相重叠时，排斥 与吸引力相等，两原子便稳定在此相对位 置上，这一距离r0相当于原子的平衡距离， 或称为原子间距。当原子距离被外力拉开 时，吸引力则力图使它们回到平衡距离r0
料硬而脆。原子排列不紧密，晶体结构复杂， 故共价键晶体陶瓷密度低。
材料微观结构晶体中的位错与层错课件
层错的出现可以改变材料的弹性常数 和力学性能，从而影响材料的变形行 为。
位错是材料变形的微观机制之一，它 们在应力作用下运动和相互作用，导 致材料的塑性变形。
位错和层错在材料变形过程中相互作 用，共同决定材料的力学性能和变形 行为。
05
材料中的位错与层错实例
Chapter
金属材料中的位错与层错
金属材料中的位错
陶瓷材料中的位错是指晶体中原子排列发生扭曲的线状畸变区域。位错的存在对 陶瓷材料的力学性能、热学性能和电学性能等有显著影响。
陶瓷材料中的层错
陶瓷材料中的层错是指由于原子面的堆垛顺序发生改变而形成的缺陷。层错的形 成和扩展会影响陶瓷材料的塑性变形和断裂行为。
高分子材料中的位错与层错
高分子材料中的位错
层错的分类
根据层错的形成机制和特点，可以将层错分为偶 然层错和孪生层错两类。偶然层错是由于原子热 振动或应力作用形成的，而孪生层错则是通过晶 体结构中的对称操作形成的。
层错形成机制
热力学机制
在晶体生长或退火过程中，由于温度变化引起的原 子热振动可能导致原子偏离其平衡位置，形成层错 。此外，晶体中的应力场也可能导致原子排列的错 排或缺失，进而形成层错。
由于层错的存在，晶体的物理和化学 性质可能会发生变化。例如，在金属 材料中，层错的存在可能会导致材料 的强度和韧性发生变化。
层错与材料性能
机械性能
在金属材料中，层错的存在可以影响材料的强度、韧性、硬度等机械性能。由 于层错的界面特性，金属材料在受到外力作用时容易发生滑移和孪生变形，从 而提高材料的塑性和韧性。
02
理解位错与层错对 材料性能的影响。
03
学会位错与层错的 检测方法及其在材 料科学中的应用。
位错是材料变形的微观机制之一，它 们在应力作用下运动和相互作用，导 致材料的塑性变形。
位错和层错在材料变形过程中相互作 用，共同决定材料的力学性能和变形 行为。
05
材料中的位错与层错实例
Chapter
金属材料中的位错与层错
金属材料中的位错
陶瓷材料中的位错是指晶体中原子排列发生扭曲的线状畸变区域。位错的存在对 陶瓷材料的力学性能、热学性能和电学性能等有显著影响。
陶瓷材料中的层错
陶瓷材料中的层错是指由于原子面的堆垛顺序发生改变而形成的缺陷。层错的形 成和扩展会影响陶瓷材料的塑性变形和断裂行为。
高分子材料中的位错与层错
高分子材料中的位错
层错的分类
根据层错的形成机制和特点，可以将层错分为偶 然层错和孪生层错两类。偶然层错是由于原子热 振动或应力作用形成的，而孪生层错则是通过晶 体结构中的对称操作形成的。
层错形成机制
热力学机制
在晶体生长或退火过程中，由于温度变化引起的原 子热振动可能导致原子偏离其平衡位置，形成层错 。此外，晶体中的应力场也可能导致原子排列的错 排或缺失，进而形成层错。
由于层错的存在，晶体的物理和化学 性质可能会发生变化。例如，在金属 材料中，层错的存在可能会导致材料 的强度和韧性发生变化。
层错与材料性能
机械性能
在金属材料中，层错的存在可以影响材料的强度、韧性、硬度等机械性能。由 于层错的界面特性，金属材料在受到外力作用时容易发生滑移和孪生变形，从 而提高材料的塑性和韧性。
02
理解位错与层错对 材料性能的影响。
03
学会位错与层错的 检测方法及其在材 料科学中的应用。
材料科学基础 晶体缺陷
二元离子晶体——不等径刚球密堆理论
.
12
2. 共价晶体结构（原子晶体）
典型共价晶体结构
金刚石型（单质型） ZnS型（AB型） SiO2型（AB2型）
.
13
第三节 原子的不规则排列
晶体中的缺陷——原子排列偏离完整性的区域
点缺陷——在三个方向上尺寸都很小 线缺陷——在二个方向上尺寸很小 面缺陷——在一个方向上尺寸很小
24
（1） 包含位错线做一封闭回路——柏氏回路 （2） 将同样的回路置于完整晶体中——不能闭合 （3） 补一矢量（终点指向起点）使回路闭合——柏氏矢量
43 21
1
2
2
1
1
3
1
1 23 4
b
43
2
1 2
1
1 23 4
.
25
2）柏氏矢量特性
（1） 满足右螺旋规则时，柏氏矢量与柏氏回路路径无关
二、金属晶体结构及几何特征
1. 常见的三种晶体结构
面心立方 体心立方
既是晶体结构，又是点阵
密排六方 —— 仅是晶体结构，不是点阵 — 简单六方
.
1
1) 面心立方（fcc 或 A1）
点 阵 常 数： R 2 a
4
最近原子间距：d 2 a 2
<110> 方向 晶胞原子数： 1/8×8 ＋1/2 ×6 ＝ 4
1a 1b 0c a[11 ] 0
22
2
例：b 5a 2[11 0]、 b 6a 2[01] 1
b 5b 6a 2[11 0]a 2[01 ]1 a 2[11 ] 0
1) 刃位错
┻
┻
多出（或少了） 称为
半排原子面
材料微观结构晶体中的位错与层错课件
位错运动方式及影响因素
运动方式
影响因素
02
层错基本概念与性质
层错定义及分类
层错定义 分类
层错形成机制与条件
形成机制
晶体生长、相变、塑性变形等过程中，原子排列受到干扰或局部能量失衡，导致 层错形成。
形成条件
晶体结构复杂、原子间结合力弱、外界环境干扰等。
层错对材料性能影响
01
02
力学性能
物理性能
陶瓷中位错和层错现象举例
氧化铝陶瓷中的位错
氮化硅陶瓷中的层错
高分子材料中位错和层错现象举料中位错和层错问题策略探讨
优化制备工艺减少位错和层错产生
优化热处理工艺
1
精细加工技术
2
控制成型速率
3
通过合金化或掺杂改善晶体结构稳定性
要点一
合金化
要点二
掺杂技术
性表面。
原子力显微镜技术
原理 应用 优点
05
典型材料中位错和层错实例分析
金属中位错和层错现象举例
铝中的位错
在铝晶体中，位错通常呈现为线缺陷， 其滑移面为{111}。位错的存在对铝的强 度和塑性变形行为具有重要影响。
VS
铜中的层错
铜晶体中，层错通常出现在{111}面上， 表现为原子层的堆垛顺序发生改变。层错 能较低，使得铜具有较好的塑性和韧性。
韧性下降
04
实验方法观察和分析位错与层错
透射电子显微镜技术
原理
应用 优点
扫描隧道显微镜技术
原理
利用量子隧道效应，探测样品表 面原子尺度的电子态密度分布， 获得表面形貌和晶体结构信息。
应用
观察晶体表面的位错、层错露头， 分析位错核心结构、层错能等。
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a).Frankel缺陷:因晶格上原子的热振动使能量较大的原子离开平 衡位置，进入间隙，形成间隙原子，而原来的位置上形成空位。
特点 ——①间隙原子和空位成对产生；②晶体的体积不发生改 变；③两种离子半径相差大时弗伦克尔缺陷是主要的。
例 : 纤锌矿结构ZnO 晶体，Zn2+ 可以离开 原位进入间隙，此间 隙为结构中的另一半 “四面体空隙”和 “八面体空隙”位置。
9
②、填隙原子：Mi和Xi分别表示M及X原子处在间隙位置上。
③、错放位置：MX表示M原子被错放在X位置上。
④、溶质原子：LM表示L溶质处在M位置，SX表示S溶质处在 X位置，Li表示L溶质处在间隙位置。
如Ca取代MgO中的Mg写作CaMg，Ca填隙在晶格中写作Cai。
⑤、自由电子及电子空穴：在强离子性材料中，通常电子是 位于特定的原子位置上，这可以用离子价来表示。但有些情 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，这时可用e'表示这些自由电 子，同样，可以出现缺少电子，而出现不属于某个特定的原 子位置的电子空穴，用h•表示。
力的大小的变化而发生组成偏离化学计量的现象。即化合 物中不同种类的离子或原子数之比不能用简单整数表示。
如TiO2在还原气氛下形成TiO2-x(x=0～1)，这是一种n型 半导体。
非化学计量缺陷
电荷缺陷
价带产生空穴 附加 导带存在电子 电场
周期排列不变 周期势场畸变 产生电荷缺陷
7
§4–2缺陷化学反应表示法
如果取走一个X2-离子，即相当于取走一个X原子加上二个电
子，那么在X空位上就留下2个电子空穴2h•。如果这二个电子
空穴被束缚在X空位上，则X2-离子空位可写成VX•• 。用缺陷 反应式表示为： VM''←→ VM + 2e'； VX•• ←→ VX + 2h• 8
把离子化合物看作完全由离子构成（这里不考虑化学
4
b). Schottky缺陷：正常格点上的原子由于热运动迁移到晶体 表面，在晶体内部正常格点上留下空位。
特点—— ①对于离子晶体，正、负离子空位同时成对产生； ②晶体体积增大；③正、负离子半径相差不大时， 肖特基缺陷是主要的。
Na CVlN aVC •l
热缺陷浓度随着温度的 上升而呈指数提高，对于某 种特定材料，在一定的温度 下都有一定的热缺陷。
热缺陷浓度表示 ： n exp－ ( E) N 2KT
5
(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——在固溶度以内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)
6
(3) 非化学计量结构缺陷（电荷缺陷） 某些化合物的组成会明显是随着周围气氛的性质和压
杂质原子
杂质原子进入晶格（结晶过程中混入或加 入，一般不大于0.1％，）。
间隙位置—间隙杂质原子
进入 正常结点—取代（置换）杂
固 溶
质原子。
体
2
2）根据产生缺陷的原因来分： 热缺陷 杂 质 缺陷
非化学计量结构缺陷（电荷缺陷）
3
➢（1）热缺陷：当晶体的温度高于绝对0K时，由于晶格内原
子热运动，使一部分能量较大的原子离开平衡位置造成的缺陷。
对于计量化合物（如NaCl、Al2O3），在缺陷反应式中作为 溶剂的晶体所提供的位置比例应保持不变，但每类位置总数可 以改变。
对于非化学计量化合物，当存在气氛不同时，原子之间的比 例是改变的。
例：TiO2 由 1 : 2 变成 1 : 2－x (TiO2－x )
12
(2) 、位置增殖：在缺陷反应时，因缺陷消长其总的位置数要改
第四章 晶体的结构缺陷
总述—
1、缺陷产生的原因——热起伏、杂质 2、缺陷定义——实际晶体与理想晶体相比有一定程度的偏离
或不完美性， 把两种结构发生偏离的区域叫缺陷。 3、研究缺陷的意义——导电、半导体、发色（色心）、发光、
扩散、烧结、固相反应……。（材料科学的基础） 4、 缺陷分类——点缺陷、线缺陷、面缺陷
键性质），则在 NaCl晶体中，如果取走一个Na+ ，晶格中 多了一个e, 因此VNa 必然和这个e '相联系，形成带电的空 位:
V
Na
写作 V Na e V N a
同样，如果取出一个Cl－ ,即相当于取走一个Cl原子加一 个e，那么氯空位上就留下一个电子空穴(h• )，即：
V Clh• V C •l
晶 点缺陷：缺陷的尺寸处在一、两原子大小的级别 体 线缺陷：晶体结构中生成的一维的缺陷，通常是指位错
缺
陷 面缺陷：通常是指晶界和表面
1
§4–1 点缺陷
一．点缺陷类型
1.点缺陷的类型
1)根据点缺陷对理想晶格偏离的几何位置及成分来划分：
空位
正常结点位置没有被质点占据，称为空位。
填隙原子
质点进入间隙位置成为填隙原子。
在离子晶体中带相反电荷的点缺陷之间，存在一种有利于缔
合的库仑引力。如：在NaCl晶体中， V N aV C • l(V N V a C •)l
11
2. 书写点缺陷反应式的规则 (1)、位置关系：在化合物MaXb中，M位置的数目必须永远与 X位置的数目成一个正确的比例（a:b）。M与X的比例不符合 位置的比例关系，表示存在缺陷。
缺陷化学——把材料中的点缺陷看作化学实物，并用化学热力 学原理来研究缺陷的产生、平衡及其浓度等问题的一门学科。 1.缺陷化学符号的表示法
Az b
用一个主要符号表明缺陷的种类，用一个下标表示 缺陷位置，用一个上标表示缺陷的有效电荷
“˙”—有效正电荷 、“'”—有效负电荷 、“×”—有效零
电荷。
① 空用位M：X用离V子M晶和体VX为分例别（表示MM2＋原；子X空2－位）和：X原子空位；
⑥、带电缺陷：不同价离子之间的替代就出现了除离子空位
以外的又一种带电缺陷。如Ca2+进入NaCl晶体，Ca2+取代
Na+，写作CaNa•；Ca2+取代ZrO2晶体中的Zr4+，则写成CaZr''，
表示 Ca2+在Zr4+位置上同时带有二个单位负电荷。
10
⑦缔合中心：一个带电的点缺陷也可能与另一个带有相反符 号的点缺陷相互缔合成一组或一群，这种缺陷是把发生缔合的 缺陷放在括号内的方法来表示：(VM''VX••)，(Mi ••Xi'')。
特点 ——①间隙原子和空位成对产生；②晶体的体积不发生改 变；③两种离子半径相差大时弗伦克尔缺陷是主要的。
例 : 纤锌矿结构ZnO 晶体，Zn2+ 可以离开 原位进入间隙，此间 隙为结构中的另一半 “四面体空隙”和 “八面体空隙”位置。
9
②、填隙原子：Mi和Xi分别表示M及X原子处在间隙位置上。
③、错放位置：MX表示M原子被错放在X位置上。
④、溶质原子：LM表示L溶质处在M位置，SX表示S溶质处在 X位置，Li表示L溶质处在间隙位置。
如Ca取代MgO中的Mg写作CaMg，Ca填隙在晶格中写作Cai。
⑤、自由电子及电子空穴：在强离子性材料中，通常电子是 位于特定的原子位置上，这可以用离子价来表示。但有些情 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，这时可用e'表示这些自由电 子，同样，可以出现缺少电子，而出现不属于某个特定的原 子位置的电子空穴，用h•表示。
力的大小的变化而发生组成偏离化学计量的现象。即化合 物中不同种类的离子或原子数之比不能用简单整数表示。
如TiO2在还原气氛下形成TiO2-x(x=0～1)，这是一种n型 半导体。
非化学计量缺陷
电荷缺陷
价带产生空穴 附加 导带存在电子 电场
周期排列不变 周期势场畸变 产生电荷缺陷
7
§4–2缺陷化学反应表示法
如果取走一个X2-离子，即相当于取走一个X原子加上二个电
子，那么在X空位上就留下2个电子空穴2h•。如果这二个电子
空穴被束缚在X空位上，则X2-离子空位可写成VX•• 。用缺陷 反应式表示为： VM''←→ VM + 2e'； VX•• ←→ VX + 2h• 8
把离子化合物看作完全由离子构成（这里不考虑化学
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b). Schottky缺陷：正常格点上的原子由于热运动迁移到晶体 表面，在晶体内部正常格点上留下空位。
特点—— ①对于离子晶体，正、负离子空位同时成对产生； ②晶体体积增大；③正、负离子半径相差不大时， 肖特基缺陷是主要的。
Na CVlN aVC •l
热缺陷浓度随着温度的 上升而呈指数提高，对于某 种特定材料，在一定的温度 下都有一定的热缺陷。
热缺陷浓度表示 ： n exp－ ( E) N 2KT
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(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——在固溶度以内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)
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(3) 非化学计量结构缺陷（电荷缺陷） 某些化合物的组成会明显是随着周围气氛的性质和压
杂质原子
杂质原子进入晶格（结晶过程中混入或加 入，一般不大于0.1％，）。
间隙位置—间隙杂质原子
进入 正常结点—取代（置换）杂
固 溶
质原子。
体
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2）根据产生缺陷的原因来分： 热缺陷 杂 质 缺陷
非化学计量结构缺陷（电荷缺陷）
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➢（1）热缺陷：当晶体的温度高于绝对0K时，由于晶格内原
子热运动，使一部分能量较大的原子离开平衡位置造成的缺陷。
对于计量化合物（如NaCl、Al2O3），在缺陷反应式中作为 溶剂的晶体所提供的位置比例应保持不变，但每类位置总数可 以改变。
对于非化学计量化合物，当存在气氛不同时，原子之间的比 例是改变的。
例：TiO2 由 1 : 2 变成 1 : 2－x (TiO2－x )
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(2) 、位置增殖：在缺陷反应时，因缺陷消长其总的位置数要改
第四章 晶体的结构缺陷
总述—
1、缺陷产生的原因——热起伏、杂质 2、缺陷定义——实际晶体与理想晶体相比有一定程度的偏离
或不完美性， 把两种结构发生偏离的区域叫缺陷。 3、研究缺陷的意义——导电、半导体、发色（色心）、发光、
扩散、烧结、固相反应……。（材料科学的基础） 4、 缺陷分类——点缺陷、线缺陷、面缺陷
键性质），则在 NaCl晶体中，如果取走一个Na+ ，晶格中 多了一个e, 因此VNa 必然和这个e '相联系，形成带电的空 位:
V
Na
写作 V Na e V N a
同样，如果取出一个Cl－ ,即相当于取走一个Cl原子加一 个e，那么氯空位上就留下一个电子空穴(h• )，即：
V Clh• V C •l
晶 点缺陷：缺陷的尺寸处在一、两原子大小的级别 体 线缺陷：晶体结构中生成的一维的缺陷，通常是指位错
缺
陷 面缺陷：通常是指晶界和表面
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§4–1 点缺陷
一．点缺陷类型
1.点缺陷的类型
1)根据点缺陷对理想晶格偏离的几何位置及成分来划分：
空位
正常结点位置没有被质点占据，称为空位。
填隙原子
质点进入间隙位置成为填隙原子。
在离子晶体中带相反电荷的点缺陷之间，存在一种有利于缔
合的库仑引力。如：在NaCl晶体中， V N aV C • l(V N V a C •)l
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2. 书写点缺陷反应式的规则 (1)、位置关系：在化合物MaXb中，M位置的数目必须永远与 X位置的数目成一个正确的比例（a:b）。M与X的比例不符合 位置的比例关系，表示存在缺陷。
缺陷化学——把材料中的点缺陷看作化学实物，并用化学热力 学原理来研究缺陷的产生、平衡及其浓度等问题的一门学科。 1.缺陷化学符号的表示法
Az b
用一个主要符号表明缺陷的种类，用一个下标表示 缺陷位置，用一个上标表示缺陷的有效电荷
“˙”—有效正电荷 、“'”—有效负电荷 、“×”—有效零
电荷。
① 空用位M：X用离V子M晶和体VX为分例别（表示MM2＋原；子X空2－位）和：X原子空位；
⑥、带电缺陷：不同价离子之间的替代就出现了除离子空位
以外的又一种带电缺陷。如Ca2+进入NaCl晶体，Ca2+取代
Na+，写作CaNa•；Ca2+取代ZrO2晶体中的Zr4+，则写成CaZr''，
表示 Ca2+在Zr4+位置上同时带有二个单位负电荷。
10
⑦缔合中心：一个带电的点缺陷也可能与另一个带有相反符 号的点缺陷相互缔合成一组或一群，这种缺陷是把发生缔合的 缺陷放在括号内的方法来表示：(VM''VX••)，(Mi ••Xi'')。