材料科学基础(第05章晶体缺陷)

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图3-6a 晶体局部滑移产生 刃型位错
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刃型位错的特点：

刃型位错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"┻"；而 把多出在下边的称为负刃型位错，记为"┳"。其实这 种正、负之分只具相对意义而无本质的区别。
图3-6 刃型位错
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刃型位错的特点：
第5章 晶体缺陷
5.1 点缺陷 5.2 位错 5.3 表面及界面
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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
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缺陷的分类方式：
形成原因：热缺陷、杂质缺陷、非化学计量缺陷
－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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5.1 点缺陷
1. 基本概念：如果在任何方向上缺陷区的尺寸都 远小于晶体或晶粒的线度，因而可以忽略不计， 那么这种缺陷就叫做点缺陷。 点缺陷是最简单 的晶体缺陷，它是在结点上或邻近的微观区域
面或内表面的正常结点位置上，而使晶体内部留下空位， vacancy 。 称为肖脱基（Schottky）空位；二是挤入点阵的间隙位置， 而在晶体中同时形成数目相等的空位和间隙原子，则称为 弗兰克尔（Frenkel）缺陷；三是跑到其他空位中，使空 位消失或使空位移位。另外，在一定条件下，晶体表面上
如果脱离平衡位置的原子 的原子也可能跑到晶体内部的间隙位置形成间隙原子，如 进入到晶格间隙中，则同 时形成了等量的空位和间 图演示。 隙原子，这样的缺陷叫做 Frenkel defect。
3. 螺型位错: 位错线垂直于滑移方向，模型如图3-7所示。 晶体右上半部分在外力的作用下发生局部滑移，滑移面 为ABCD，滑移方向如图所示。
图3-7 晶体局部滑移产生的螺型位错
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螺型位错的特点：
① 螺型位错无额外半原子面，原子错排是呈轴对称的。
② 根据位错线附近呈螺旋形排列的原子的旋转方向不同，
陷叫做 Frenkel defect。
离子晶体：负离子不能到间隙; 局部电中性要求
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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）
（b）单质中的肖特基缺陷的 形成
Frenkel defect 和 Schottky defect产生示意图
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5.1 点缺陷
5.1.2 点缺陷的平衡浓度
1.
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5.2 位错
5.2.2 伯氏矢量
1. 伯氏矢量的确定：柏氏回路是在有缺陷的晶体中围绕缺陷区将 原子逐个连接而成的封闭回路。对于无法封闭的柏氏回路，为 了使其封闭（起点与终点重合），必须增加一个向量closure failure ，如图3-8所示。该向量就称为柏氏矢量，记做b。
图3-8 柏氏回路与柏氏矢量的确定
1）晶体中空位在热力学上是稳定的，一定温度T对应一平衡 浓度X 2）X与T呈指数关系，温度升高，空位浓度增大 3）空位形成能ΔUV大，空位浓度小
例如：已知铜中ΔUV=1.7×10-19J，A取为1，则
T 100K 300K 500K 700K 900K 1000K
n/N
10-57
10-19
10-11
b1 b2 b3 b4 0
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5.2 位错
5.2.2 伯氏矢量
5. 伯氏矢量的表示方法：可以用点阵矢量来表示 ，可用与伯 氏矢量同向的晶向指数来表示。
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5.2 位错
5.2.3 位错运动
• 位错的最重要性质之一是它可以在晶体中运动，而晶体宏 观的塑性变形是通过位错运动来实现的。晶体的力学性能 如强度、塑性和断裂等均与位错的运动有关。 • 位错的运动方式有两种最基本形式，即滑移和攀移。
热力学分析表明，在高于0K的任何温度下，晶体最稳
定的状态并不是完整晶体，而是含有一定浓度的点缺陷 状态，即在该浓度情况下，自由能最低。这个浓度就称 为该温度下晶体中点缺陷的平衡浓度。

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”。
螺型位错可分为右旋和左旋螺型位错。
③ 螺型位错线与滑移矢量平行，因此一定是直线，而且位
错线的移动方向与晶体滑移方向互相垂直。
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螺型位错的特点：
④ 纯螺型位错的滑移面不是唯一的。凡是包含螺型位错线
的平面都可以作为它的滑移面。但实际上，滑移通常是 在那些原子密排面上进行。 ⑤ 螺型位错线周围的点阵也发生了弹性畸变，但是，只有 平行于位错线的切应变而无正应变，即不会引起体积膨
畸变，既有切应变，又有正应变。就正刃型位错而言，
滑移面上方点阵受到压应力，下方点阵受到拉应力： 负刃型位错与此相反。
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刃型位错的特点：
在位错线周围的过渡区（畸变区）每个原子具有较大的
平均能量。但该区只有几个原子间距宽，畸变区是狭长 的管道，所以刃型位错是线缺陷。
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5.2 位错
5.2.1 位错的基本类型和特征
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5.2 位错
5.2.2 伯氏矢量
3. 伯氏矢量的特性
① 柏氏矢量是一个反映位错周围点阵畸变总累积的物理量。 该矢量的方向表示位错的性质与位错的取向，即位错运动 导致晶体滑移的方向；而该矢量的模|b|表示了畸变的程 度，称为位错的强度。 ② 柏氏矢量与回路起点及其具体途径无关。柏氏矢量是唯一 的，这就是柏氏矢量的守恒性。
5.2.2 伯氏矢量 3. 伯氏矢量的特性 ③ 若一个柏氏矢量为b的位错可以分解为柏氏矢量分别为b1， b2….bn的n个位错，则分解后各位错柏氏矢量之和等于原 位错的柏氏矢量，即 b= b1＋b2＋b3+……
bin bout b1 b2 b3
I b1
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5.2 位错
5.2.1 位错的基本类型和特征 1. 2. 位错的概念：位错是晶体的线 性缺陷。 刃型位错：刃型位错的位错线 垂直于滑移方向，模型如图所 示，相当于在正常排列的晶体 当中插入了半个原子面。拥有 半原子面的晶体部分，原子间 距减小，晶格受到压应力；在 缺少半原子面的晶体部分，原 子间距增大，晶体收到拉应力。
2.
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5.1 点缺陷
5.1.3 点缺陷的运动
3.
空位在晶体中的分布是一个动态平衡，其不断地与周围 原子交换位置，使空位移动所必需的能量，叫空位移动 能Em。空位移动所造成的原子迁移，即金属晶体中的 自扩散。（以后会学到）自扩散激活能相当于空位形成 能与移动能的总和。
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5.1 点缺陷
5.1.3 点缺陷的运动 3. 点缺陷对材料性能的影响 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)。 加快原子的扩散迁移 空位可作为原子运动的周转站。 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。 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 。
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5.1 点缺陷
肖脱基缺陷：脱离平衡位置的原子如果逃逸到晶体外表
面，在原来位置只形成空位，没有形成间隙原子，这样
的空位缺陷叫做 Schottky defect 或 Schottky vacancy 。 弗兰克尔缺陷：如果脱离平衡位置的原子进入到晶格间 隙中，则同时形成了等量的空位和间隙原子，这样的缺
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5.2 位错
5.2.2 伯氏矢量 3. 伯氏矢量的特性 ③ 一根不分岔的位错线，不论其形状如何变化（直线、曲折 线或闭合的环状），也不管位错线上各处的位错类型是否
相同，其各部位的柏氏矢量都相同；而且当位错在晶体中
运动或者改变方向时，其柏氏矢量不变，即一根位错线具 有唯一的柏氏矢量。
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5.2 位错
内偏离晶体结构的正常排列的一种缺陷。
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5.1 点缺陷
2. 基本类型：
空位（vacancy） ：实际晶体中某些晶格结点的原
子脱离原位，形成的空着的结点位置就叫做空位。
间隙原子（interstitial particle） ：进入点阵间隙
中的原子称为间隙原子。
置换原子（foreign particle）：那些占据原来基体

空位的出现提高了体系的熵值
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5.1 点缺陷
5.1.2 点缺陷的平衡浓度
2.
假设温度T和压强P条件下，从N个原子组成的完整晶体
中取走n个原子，即生成n个空位。并定义晶体中空位 缺陷的平衡浓度为：x=n/N
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5.1 点缺陷
5.1பைடு நூலகம்2 点缺陷的平衡浓度
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若已知ΔUV和ΔSV，则可由上式计算出任一温度T下的浓度X. 由上式可得：
原子平衡位置上的异类原子称为置换原子。
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置换原子
间隙原子
图5-3 半径较小的置换原子
图3-4 晶格空位 半径较大的置换原子
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5.1 点缺陷
脱离平衡位置的原子如果逃逸到晶体 外表面，在原来位置只形成空位，没有
5.1.1 点缺陷的形成形成间隙原子，这样的空位缺陷叫做
离开平衡位置的原子有三个去处：一是迁移到晶体表 Schottky defect 或 Schottky

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。它不一定是直线，也可以是折线或曲线，但它 必与滑移方向相垂直，也垂直于滑移矢量。

滑移面必定是同时包含有位错线和滑移矢量的平面，