色心(colour centre)及点缺陷的研究方法
色心晶体的合成
晶体中的离子缺陷色心是指正常格位的离子在位臵上
发生了变化，使晶体中出现了负离子空位、正离子空位、 空位聚集、填隙离子或原子等，使色心生成。
例(1)：通过辐照法在NaCl中产生F心。NaCl粉末在受到x
射线轰击1.5 h左右会显出浅黄色。颜色的产生是不是由钠的 非整比过量引起的。它们多半是由结构中某些氯负离子的电 离引起的。 例(2)：用γ射线辐照源使大块的LiF晶体赋色。当高能射线 打到光学质量好的LiF晶体上时，会在晶体内引起电离，生成 空穴、空位和自由电子等缺陷。 先把LiF晶体进行光学加工后，再用60Co -γ射线辐照，经不
3、色心的转型
在一定的条件下，将晶体中的一种色心转变为另外一种色 心的过程，称为色心的转型。因为用以上两种方法或其他方 法得到的色心，不一定是我们最终所要的色心，所以，在实 验上往往将已赋色的色心晶体通过色心的转型来获得需要的
色心。
因为色心的形成、激活、去激活、位臵迁移和漂白等过 程总是伴随着能量迁移的过程。所以，可以通过改变晶体的 温度或以一定波长的光辐照晶体，使晶体中的一些色心发生 能量的迁移，最终导致色心的转型。色心转型一般分为热致 转型和光致转型两种。
过程。但在着色过程中，对注入技术和条件要求是非常苛刻
的，导致此类研究方法并不多见。
五、色心晶体的检测及应用
1、色心的检测
探测色心的结构和物理性质的主要实验方法有：常规光
谱法、热导率、光电导法、热释光法、电子自旋共振和电子 核磁共振光谱法和拉曼散射等。不过，所有的方法中，常规 光谱法是最基本、最常用也是重要的方法，这种方法反映了 色心晶体对辐射吸收和发射的物理性质。常规光谱法又可以
同剂量的γ射线辐照后，产生的色心有很大的差异。随着γ射线
辐照剂量的增加，晶体的颜色和特征吸收曲线也有很大的不同，
第二章缺陷
➢ D.色心：
非化学计量缺陷中： 负离子缺位带正电，吸引负电荷e 正离子缺位带负电，吸引正电荷h 离 子 缺 位 ＋ 束 缚 在 缺 陷 库 伦 场 中 的 e 或 h 所
形成的缺陷→色心 色心的释放需要一定能量，使晶体选择性
吸收一定波长光波→晶体显特有颜色（被 吸收光的补色）
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
陷。
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（VM ’ VX ·）。
总结符号规则：
Max. C = P 的电价 – P上的电价
Interstitial alloy (e.g., C in Fe)
Impurities in Ceramics
• Impurities must also satisfy charge balance
• Ex: NaCl
• Substitutional cation impurity
Ca 2+ Na +
Na +
initial geometry Ca2+ impurity
• Substitutional anion impurity
O2-
cation vacancy
Ca 2+ resulting geometry
anion vacancy
initial geometry
Cl- ClO2- impurity
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。
无机材料化学色心名词解释
无机材料化学色心名词解释
色心是指晶体中对可见光产生选择性吸收的缺陷部位。
一些晶体，在缺陷部位电子跃迁所需能量减小到与可见光相当的程度。
这些缺陷部位就会产生对可见光的选择性吸收面使晶体呈色。
晶体中对可见光产生选择性吸收的缺陷部位称作色心。
通常色心的存在对固体器件是有害的。
1974年L.莫勒瑙尔等利
用掺Li的KCl晶体的色心获得近红外可调激光输出，可在光纤通信、频标、医学、窄能隙半导体研究方面获得应用。
带有色心的碱金属卤化物晶体是制作可调谐激光器的材料。
色心激光器有可能成为一种有实用价值的激光技术。
色心晶体可做储存或显示信息器件等的材料。
大量人为控制的色心材料在诸如半导体、发光、光电导等许多技术领域中有着广泛的应用。
碱卤化物如果没有色心，在紫外到红外的区段是完全透明的。
色心的出现可以使晶体着色。
通过以下方式使晶体着色：
①掺入化学杂质，在晶体中形成吸收中心；引入过量金属离子，形成负离子空位，正电性的负离子空位束缚住从金属原子电离的电子，形成可见光的吸收中心；
②X射线、γ射线、中子或电子轰击晶体形成损伤，使晶体产生点缺陷，可以束缚电子或空穴形成可见光的吸收中心；
③电解过程。
碱卤晶体在碱金属蒸气中加热，然后骤冷，原来透明的晶体就出现颜色，这个过程称为增色。
在这过程中形成了负离子
空位，即F心。
如NaCl增色后呈黄色。
因为晶体中形成超过化学比的碱金属离子，从而形成负离子空位。
材料化学-晶体结构缺陷详解
V (V V ) VNa
Cl Na Cl
2 书写点缺陷反应式的规则
（1）位置关系（溶剂）： 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。
2ClCl CaCl2 ( s) Ca VK
（3）溶质原子（杂质原子）：
LM 表示溶质L占据了M的位置。如：CaNa SX 表示S溶质占据了X位置。
（4）自由电子及电子空穴：
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，这样电子和空穴称 为自由电子（符号e/ ）和电子空穴（符号h. )。
(5)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 把离子化合物看作完全由离子构成（这里不考虑化学 键性质），则在 NaCl晶体中，如果取走一个Na+与取走Na 原子相比较，相当于少取走一个电子e ， 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——
Schottky缺陷的产生
2 组成缺陷
概念——杂质原子进入晶体，或者外界气氛等因素引起基质产生空位的缺陷。 原子进入晶体的数量一般小于0.1%。 种类——间隙杂质 置换杂质空位
特点——杂质缺陷的浓度与温度无关，只决定于溶解度。
存在原因——本身存在，有目的加入(改善晶体的某种性能)
3 电荷缺陷
晶体内原子或离子的外层电子由于受到外界激发，有少部 分电子脱离原子核对它束缚，而成为自由电子，对应留下空穴。
VCl NaCl VNa
形成——正常格点的原子由于热运动跃迁到晶体表面， 在晶体内正常格点留下空位。 从形成缺陷的能量来分析—— Schttky缺陷形成的能量小Frankel 缺陷形成的能量 因此对于大多数晶体来说，Schttky 缺陷是主要的。 热缺陷浓度表示 ：
20.3_色心
第 20 章 点缺陷
20.3 色心
纯净卤化碱晶体在光谱的整个可见光波段中是透明的 色心是能吸收可见光的晶体缺陷 寻常的晶格空位并不使卤化碱晶体赋色，虽然它会影 响紫外区的吸收。有好几种方法可使晶体赋色 引入化学杂质 引入过量的金属离子 X 射线或 g 射线辐射，中子或电子轰击 电解
1
固体物理导论
6
固体物理ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ论
第 20 章 点缺陷
20.3 色心
也能通过俘获空穴而形成色心 空穴色心有别于电子色心：卤素离子填满的 p6 壳层中 出现一个空穴将使此离子具有正电子组态 p5，而在 p6 壳层 已填满的碱金属离子中添加一电子其电子组态即为 p6s p6s 组态像一球对称的离子； p5 却像一个非对称的离 子，并通过杨-特勒 (Jahn-Teller) 效应使其在晶体中的近邻 局域常发生畸变
第 20 章 点缺陷
20.3 色心
20. 3. 1
F心
名字“F 心”来自德文 Farbe (彩色) 一词。一般产生 色心的方法是将晶体在过量碱金属中加热或用 X 射线辐射
卤化碱晶体中与 F 心联系的中心吸收带 ( F 带)
2
固体物理导论
第 20 章 点缺陷
20.3 色心
用电子自旋共振方法对 F 心的研究表明，它由一个负 离子晶格空位束缚一个电子构成
7
固体物理导论
第 20 章 点缺陷
20.3 色心
F 心的反形体是一个被陷俘于一正离子晶格空位的空 穴，但这中色心还没有在卤化碱晶体的相关实验中被证实 绝缘体氧化物中的O-(称为 V-)缺陷是典型的空穴色心 最典型的空穴色 心是 VK 心。卤化碱 晶体中，一个空穴陷 俘于一卤离子时即形 成这种色心
第三章 晶体结构缺陷
第三章晶体结构缺陷【例3-1】写出MgO形成肖特基缺陷的反应方程式。
【解】MgO形成肖特基缺陷时，表面的Mg2+和O2－离子迁到表面新位置上，在晶体内部留下空位，用方程式表示为：该方程式中的表面位置与新表面位置无本质区别，故可以从方程两边消掉，以零O（naught）代表无缺陷状态，则肖特基缺陷方程式可简化为：【例3-2】写出AgBr形成弗伦克尔缺陷的反应方程式。
【解】AgBr中半径小的Ag+离子进入晶格间隙，在其格点上留下空位，方程式为：【提示】一般规律：当晶体中剩余空隙比较小，如NaCl型结构，容易形成肖特基缺陷；当晶体中剩余空隙比较大时，如萤石CaF2型结构等，容易产生弗伦克尔缺陷。
【例3-3】写出NaF加入YF3中的缺陷反应方程式。
【解】首先以正离子为基准，Na+离子占据Y3+位置，该位置带有2个单位负电荷，同时，引入的1个F －离子位于基质晶体中F－离子的位置上。
按照位置关系，基质YF3中正负离子格点数之比为1/3，现在只引入了1个F－离子，所以还有2个F－离子位置空着。
反应方程式为：可以验证该方程式符合上述3个原则。
再以负离子为基准，假设引入3个F－离子位于基质中的F－离子位置上，与此同时，引入了3个Na+离子。
根据基质晶体中的位置关系，只能有1个Na+离子占据Y3+离子位置，其余2个Na+位于晶格间隙，方程式为：此方程亦满足上述3个原则。
当然，也可以写出其他形式的缺陷反应方程式，但上述2个方程所代表的缺陷是最可能出现的。
【例3-4】写出CaCl2加入KCl中的缺陷反应方程式。
【解】以正离子为基准，缺陷反应方程式为：以负离子为基准，则缺陷反应方程式为：这也是2个典型的缺陷反应方程式，与后边将要介绍的固溶体类型相对应。
【提示】通过上述2个实例，可以得出2条基本规律：（1）低价正离子占据高价正离子位置时，该位置带有负电荷。
为了保持电中性，会产生负离子空位或间隙正离子。
（2）高价正离子占据低价正离子位置时，该位置带有正电荷。
色心
色心科技名词定义中文名称：色心英文名称：color center定义：在原来透明的晶体中产生光学吸收带的类原子缺陷和电子缺陷。
应用学科：材料科学技术（一级学科）；材料科学技术基础（二级学科）；材料科学基础（三级学科）；材料物理及化学基础（四级学科）以上内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布color center色心[1]是指透明晶体中由点缺陷、点缺陷对或点缺陷群捕获电子或空穴而构成的一种缺陷。
在特定的条件下，很多材料中都可观察到色心。
容易产生色心的材料有碱金属卤化物、碱土金属氟化物和部分金属氧化物。
色心可以在电离辐射的照射下产生，也可以在一定的氧化或还原性气氛中加热晶体得到，还可以用电化学方法产生出一些特定的色心。
最常见并研究的最充分的是碱金属或碱土金属卤化物中的F色心，F色心是俘获了电子的负离子空位。
正离子空位缺陷俘获空穴形成的色心称做V色心。
另外，还有其他类型的色心，如H色心、M色心和R色心等。
BaFBr：Eu中的F色心有F（F）和F（Br）两种，分别对应于材料中俘获了电子的两种阴离子空位。
这种材料中的色心可以被用来存储X射线的图像，当由BaF-Br:Eu材料制成的屏在X射线照射下，X射线的图像在存储屏内产生由F色心构成的潜像，在红色激光的激励下，F色光中的电子被释放出来，与Eu2+离子复合并发出的特征光，利用光接收设备和计算机处理可以得到X射线衍射图像仪中，这种图像仪可以提高医学检验的效率和图像的质量。
【色心】《丁福保佛学大辞典》（术语）有形质碍之法，无知觉之用者谓之色，反之而无形质可见，有知觉之用者，谓之心。
在于诸法，谓之色心，在于有情，谓之心身。
身即色也。
仁王经上曰：…色心是众生根本。
‟【色心】《陈义孝佛学常见辞汇》色与心。
色是指有形的物质；心是指无形的精神。
晶体的主要特征是其中原子（分子）的规则排列，但实际晶体中原子的排列总是或多或少地偏离了严格的周期性。
晶体中的原子作微振动时破坏了周期性，因而在晶体中传播的电子波或光电波会受到散射，这就意味着晶体的电学性质或光学性质发生了变化。
离子晶体中的点缺陷
5
V心的物理机制及实质
电子“空穴”
正离子空位
进入晶体的卤素原子 （一价负离子形态）
V心（一个正离子空位加一 个被束缚的电子“空位”）
同时，由于晶体中卤素 的成分过多而破坏原来成分 的比例，将会出现正离子空 位。正离子空位是一个负电 中心，将吸引并俘获这种电 子“空穴”。
kBT
(1) 离子电导率σ密切依赖于温度，除明显的指数关系外，其 中n0也与温度有类似指数变化的关系。
(2) 离子导电性有两种类型：本征导电性和杂质导电性。
第一、对于不含杂质的离子晶体，其导电性由固有的热缺陷 决定，称本征导电性；
第二、对于含杂质的离子晶体，其导电性由杂质决定，称杂 质导电性。
一般高温区以本征导电为主，而低温区以杂质导电为主。
1 Eqd和 1 Eqd
2
2
则间隙原子向右和向左的跳跃率有不同的值，
( 1 Eqd ) 2
左 0e kBT
( 1 Eqd ) 2
右 0e kBT
可理解为每秒向左
可理解为每秒向右
跳跃的步数；
跳跃的步数；
9
离子电导率
这样，原来无规的跳跃发生了沿电场方向的偏向，每秒净 余向右跳跃的步数为：
这种一个负电中心束缚 一个电子“空穴”所组成的 体系，称为V心。
V心的存在使晶体出现的 吸收带常称为V带，其频率 比F带高，一般出现在紫外区 域。
6
(二)、离子导电性
在理想的离子晶体中，没有自由电子，离子又难 以在晶体内移动，所以是典型的绝缘体。但实际离子 晶体中，存在着缺陷和杂质，则离子可以借助于缺陷 的运动而使晶体具有一定的导电性。
材料学专业英语词汇
材料学专业英语词汇化学元素(elements)化学元素，简称元素，是化学元素周期表中的基本组成，现有113种元素,其中原子序数从93到113号的元素是人造元素。
物质 (matter）物质是客观实在，且能被人们通过某种方式感知和了解的东西,是元素的载体。
材料 (materials）材料是能为人类经济地、用于制造有用物品的物质。
化学纤维（man—made fiber, chemical fiber）化学纤维是用天然的或合成的高聚物为原料，主要经过化学方法加工制成的纤维。
可分为再生纤维、合成纤维、醋酯纤维、无机纤维等。
芯片（COMS chip)芯片是含有一系列电子元件及其连线的小块硅片,主要用于计算机和其他电子设备.光导纤维(optical waveguide fibre)光以波导方式在其中传输的光学介质材料，简称光纤。
激光 (laser）（light amplification by stimulated emission of radiation简写为： laser）激光是利用辐射计发光放大原理而产生的一种单色(单频率）、定向性好、干涉性强、能量密度高的光束。
超导 (Superconduct) 物质在某个温度下电阻为零的现象为超导，我们称具有超导性质的材料为超导体。
仿生材料（biomimetic matorials) 仿生材料是模仿生物结构或功能，人为设计和制造的一类材料。
材料科学（materials science）材料科学是一门科学，它从事于材料本质的发现、分析方面的研究，它的目的在于提供材料结构的统一描绘，或给出模型，并解释这种结构与材料的性能之间的关系.材料工程（materials engineering）材料工程属技术的范畴目的在于采用经济的而又能为社会所接受的生产工艺、加工工艺控制材料的结构、性能和形状以达到使用要求。
材料科学与工程 (materials science and engineering）材料科学与工程是研究有关材料的成份、结构和制造工艺与其性能和使用性能间相互关系的知识及这些知识的应用,是一门应用基础科学。
第八章晶体缺陷与色心产生的颜色
色心也会有不同的组合方式.
正是这些看似不完美的缺陷,给我们带来神秘的 色彩!
8.2.2色心产生颜色的机理
1.色心产生的颜色
高能辐照把电子从满带激发到空带,带隙 5~20eV(不产生颜色),进入空带的电子容易被 空穴俘获,能量为Ea ,这个过程有光的吸收,产生 相应的颜色.
的X射线照射，会出现深棕灰甚至发黑色的颜 色变化，形成的材料称为烟晶。
加热到4000C，颜色消失，再辐照，颜色恢复。 用钴60放射的1.17MeV与1.33MeV的射线
照射无色水晶,不到20分钟即可变成深色烟晶.
Al3+的作用:
纯水晶在高能射线辐射下,O2-释放一个电子, 形成瞬间空位,为维持电中性,离位的电子返回, 晶体没有实质性变化;
电子热运动增加了能量,引起被俘获电子的释放, 电子回到空带并立即返回原来的满带,即被“漂 白”.
漂白能Eb 比Ea大些,它确定了失去颜色的温 度.
天然色心:晶体形成的过程中有某种放射性元 素存在,来自环境的辐照产生的色心;
人工色心:人为操作的辐照,几分钟内即可产 生颜色.
2.色心的稳定性:
暴露在强烈阳光下,几年基本不改变颜色的是 稳定的色心;同样条件下若几周内褪色是不稳 定的色心.稳定的色心只能由加热漂白,不稳定 的色心光照或低温都可以漂白.
某些色心是可逆的,黑暗中形成,见光漂白.
8.2.3 色心产生颜色的实例
1.烟晶
水晶是SiO2矿物的单晶体。透明度高。 每一万个Si4+中有一个被Al3+取代，用几千eV
(2)离子晶体中的缺陷
Frenkel缺陷: 一个离子从正常位置跑出,造 成一个空位;再插入另一不正常位置,造成填 隙,出现一对缺陷.
无机材料科学基础第三章晶体结构缺陷
（4）溶质原子（杂质原子）：
LM 表示溶质L占据了M的位置。如：CaNa SX 表示S溶质占据了X位置。 （5）自由电子及电子空穴：
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。
（5）热缺陷与晶体的离子导电性
纯净MX晶体：只有本征缺陷（即热缺陷） 能斯特－爱因斯坦（Nernst-Einstein）方程：
n k 2 e 2 z T [a 2cex k E c p ) T a ( 2a ex k E a p )T ]( n k 2 e 2 z T D
式中 D —— 带电粒子在晶体中的扩散系数； n —— 单位体积的电荷载流子数，即单位体 积的缺陷数。 下标c、a —— 阳离子、阴离子
离子晶体中：CaF2型结构。
从形成缺陷的能量来分析——
Schttky缺陷的形成能量小，Frankel 缺陷的 形成能量大，因此对于大多数晶体来说， Schttky 缺陷是主要的。
（4） 点缺陷对结构和性能的影响
• 点缺陷引起晶格畸变(distortion of lattice),能量升 高，结构不稳定，易发生转变。
金刚石缺陷中心研究综述
金刚石缺陷中心研究综述武改朝，余晓艳中国地质大学（北京）珠宝学院，北京（100083）E-mail：wu.g.c@摘要：金刚石中含有点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷四种晶格缺陷类型，但是研究的较多的是点缺陷。
点缺陷中产生的缺陷中心（色心）对于金刚石的颜色起到重要作用。
缺陷中心（色心）主要有两种：杂质引起的色心和辐射损伤色心。
并且，对于每种色心都有若干个具体的表现形式。
本文旨在通过对各种缺陷中心（色心）进行小结，为揭示金刚石颜色的成因提供一定依据。
关键词：金刚石，点缺陷，缺陷中心，色心，辐射损伤色心1. 引言在实际金刚石晶体中，由于内部质点的热振动以及受到辐射、应力作用等原因，而普遍存在着晶格缺陷。
金刚石的晶格缺陷按其在晶体结构中分布的几何特点可分为点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷四种类型[1,2]。
研究的比较多的是点缺陷。
2. 缺陷中心（色心）类型晶体中常见的点缺陷，主要是点阵空位、间隙原子、杂质原子和原子周期序列错位等[3]。
点缺陷的存在意味着在某个结点上周期性被破坏了。
2.1缺陷中心（色心）定义原子结构缺陷捕获了电子或空穴则形成电子中心或空穴中心，当这些中心在可见光谱范围内造成吸收而产生颜色时，则被称为色心[4]，也称为缺陷中心，主要为点缺陷中心。
简单来说，色心是能选择吸收可见光能量并产生颜色的晶格缺陷[5]。
2.2缺陷中心（色心）分类金刚石中的色心大致有两种[4,5]：杂质引起的色心和辐射损伤色心[6]。
2.2.1杂质引起的色心金刚石中主要的杂质是氮，其次是硼、氢和铝等。
氮在金刚石晶体中有多种存在形式，从而形成了多种氮杂质中心，成为宝石级金刚石颜色的主要控制剂。
金刚石主要的杂质色心如下：2.2.1.1C心（孤氮中心）天然金刚石中或多或少都含有一定量的氮，在晶格中占据碳原子的位置。
氮是浓度最高的杂质原子。
这是因为氮原子和金刚石立方结构中的碳原子大小相当而较易分布于该结构中,其它诸如Cr、Fe等太大而不易进入晶格[7]。
20.3_色心
束缚于负离子空位的电子主要分布在近邻晶格空位的 诸正金属离子上
3
固体物理导论
第 20 章 点缺陷
20.3 色心
当超量的碱金属原子加入到卤化碱晶体中时，就会产 生相应个数的负离子空位。碱金属原子的价电子并不被原 子束缚，最终被束缚于一个负离子晶格空位
在完整晶格中，一个负离子晶格空位的作用犹如一个 孤立的正电荷，它能吸引一个电子并将它束缚
p6s 组态像一球对称的离子； p5 却像一个非对称的离 子，并通过杨-特勒 (Jahn-Teller) 效应使其在晶体中的近邻 局域常发生畸变
7
固体物理导论
第 20 章 点缺陷
20.3 色心
F 心的反形体是一个被陷俘于一正离子晶格空位的空 穴，但这中色心还没有在卤化碱晶体的相关实验中被证实
绝缘体氧化物中的O-(称为 V-)缺陷是典型的空穴色心
最典型的空穴色 心是 VK 心。卤化碱 晶 心类似于一负的卤族分 子离子。如 KCl 中，它像
一
Cl
2
离子
8
F 心是卤化碱晶体中最简单的俘获电子中心，其光吸 收是由于中心通过电偶跃迁跃至一个束缚激发态所引起
4
固体物理导论
第 20 章 点缺陷
20.3 色心
20. 3. 2 卤化碱晶体中的其他色心
F 心六个最近邻离子中的某一个若为另一个不同的碱 金属离子所代换，就成为 FA 心
5
固体物理导论
第 20 章 点缺陷
固体物理导论
第 20 章 点缺陷
20.3 色心
纯净卤化碱晶体在光谱的整个可见光波段中是透明的
色心是能吸收可见光的晶体缺陷
寻常的晶格空位并不使卤化碱晶体赋色，虽然它会影 响紫外区的吸收。有好几种方法可使晶体赋色
离子晶体中的点缺陷
(2) 离子导电性有两种类型：本征导电性和杂质导电性。
第一、对于不含杂质的离子晶体，其导电性由固有的热缺陷 决定，称本征导电性；
第二、对于含杂质的离子晶体，其导电性由杂质决定，称杂 质导电性。
一般高温区以本征导电为主，而低温区以杂质导电为主。
13
右 左
则间隙原子向右运动的速度，即每秒平均沿电场移动的 距离为：
vd d 0de
k BT
[e
Eqd 2 k BT
e
Eqd 2 k BT
]
常称这种由于外场影响，在原来无规运动之上所引起的平 均运动为“漂移”，则vd即为这种漂移运动的速度。
10
离子电导率
F心的实质就是一
电子 负离子空位
个负离子空位和一个被它 束缚的电子所组成的体系。
进入晶体的碱金属原子 （以一价正离子形态） F心（一个负离子空位和一个 被束缚的电子体系）
4
V心的物理机制及实质
另一种简单的色心是V心， 它是将卤化碱晶体在卤族元素蒸 气中进行热处理而形成的。 将卤化碱晶体中卤族元素蒸 气中进行热处理后，卤素原子进 入晶体中，以一价负离子形式占 据正常格点位置，形成负离子时 所缺少的电子是从近邻的离子上 获取的，从而在近邻离子上将会 出现电子“空穴”。 这种电子“空穴”可以在晶 体中移动，等价于一种带正电的 粒子。 5
) E E ;
q 其中 (d 2 0 e k BT
) ,称为离子迁移率，
11
离子电导率
与前面所学相比，还可得出下列结论： (1)迁移率与间隙原子或离子扩散系数：
q (d 2 0e k BT
k BT
qD ) k BT
《无机固体材料化学》PPT课件
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12
§ 1- 3 晶体的微观特征
• （1）晶体的点阵结构 • 晶体结构=点阵+结构基元 • 一维点阵，结构基元：(-CH2)2
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13
二维点阵,结构基元：[B(OH)3]2
点阵参数 a, b,
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14
NaCl结构类型的晶胞
点阵参数： a, b, c, , ,
• （a）长程无序 • 无平移对称性
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24
• 衍射为弥散的晕 • 和宽化的衍射带
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25
（b）短程有序
lim g (r ) 1
r
• 双体概率分布函数： lim g (r ) 0
r 0
g(r) = r/o
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26
例：石英玻璃的结构 • r(Si-O) = 1.62Å;r(O-O) = 2.65Å
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10
§ 1- 2 晶体的宏观特征 （1）自范性： F(晶面数）+V（顶点数） = E (晶棱数） +2
晶面夹角（或交角）守恒定律
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11
• （2）晶体的均匀性，来源于晶体中原子 排布的周期性规则，宏观观察中分辨不 出微观的不连续性。
• （3）物理性质的异向性
• （4）稳定性，晶体有固定的熔点。
• 分子或原子不停地，自由地作长距离运 动即流动性。气体和液体具有流动性。
• 气体：无确定的体积和形状 • 液体：有一定的体积但无确定的形状 • 固体：分子或原子处于完全确定的平衡
位置作热振动。具有确定的形状和稳定 的结构即固体性。
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单晶金刚石中色心的光学性质研究
单晶金刚石中色心的光学性质研究金刚石除了具有极高的硬度和稳定性外,其优异的光学性质越来越引起人们的重视。
金刚石超宽的禁带宽度,使位于禁带中深能级缺陷发光不被吸收而发射出来,形成一系列缺陷诱导的颜色中心,即所谓的“色心”。
这些色心具有类似“单原子”的分立能级,非常适合用于量子信息处理和量子计算。
金刚石强有力的共价键结构,为缺陷中心提供了非常稳定的晶格环境,使缺陷中心具有稳定的光学性质和长的自旋相干时间,在精密测量方面具有重要的应用价值。
此外,金刚石具有良好的生物兼容性和稳定性,在生物医药领域中细胞荧光标记、药物传输以及单细胞水平温度测量都具有非常大的优势。
同时,利用成熟的微纳加工技术,可以将金刚石加工成高品质光学微腔和各种光波导结构,从而可以实现基于色心的微纳光子器件,在片上集成量子光学和精密测量方面具有重要的应用潜力,而要实现上述这些重要的应用,必须对金刚石色心,特别是人造金刚石单晶色心的基本光学性质进行深入和透彻的研究。
光谱手段是研究色心物理性质的重要手段,比如拉曼光谱、光致发光谱和光学吸收谱。
基于拉曼光谱和光致发光谱,我们能够对缺陷中心的电子结构、电子-声子耦合以及自旋-轨道耦合等方面的信息进行研究。
由于缺陷中心处在强有力的晶格结构中会受到金刚石宿主晶格的调制作用,通过荧光光谱可以直接表征缺陷中心所受到的影响,从而研究其基本性质,拓宽其应用范围。
本论文主要通过拉曼光谱和荧光光谱对MPCVD(微波等离子体化学气相沉积)生长单晶金刚石中硅-空位(SiV~-)中心和氮-空位(NV)中心的光学性质进行系统的研究,其中包括SiV~-色心的精细结构光谱以及SiV~-和NV色心的声子辅助荧光上转换。
本论文主要的研究内容和结果如下:一、通过测量MPCVD法生长单晶金刚石的荧光光谱,对实验中使用的单晶金刚石的结晶质量、缺陷种类和缺陷浓度有了初步的认识。
实验中发现CVD生长单晶金刚石中的主要缺陷为NV~0、NV~-以及SiV~-色心。
武汉理工大学考研材料科学基础重点 第3章-晶体结构缺陷
第二章晶体结构缺陷缺陷的含义：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的晶体。
实际晶体：存在着各种各样的结构的不完整性。
本章主要内容：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2.5 固溶体2.6 非化学计量化合物⏹ 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、面缺陷和体缺陷等形成原因：热缺陷、杂质缺陷、非化学计量缺陷、电荷缺陷和辐照缺陷等●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：正常结点没有被质点占据，成为空结点间隙质点：质点进入正常晶格的间隙位置，成为间隙质点错位原子或离子杂质质点：指外来质点进入正常结点位置或晶格间隙，形成杂质缺陷双空位等复合体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。
2. 线缺陷（一维缺陷）位错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。
线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性密切相关。
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。
面缺陷的取向及分布与材料的断裂韧性有关。
4.体缺陷体缺陷亦称为三维缺陷，是指在局部的三维空间偏离理想晶体的周期性、规则性排列而产生的缺陷。
如第二相粒子团、空位团等。
体缺陷与物系的分相、偏聚等过程有关。
●二、按缺陷产生的原因分类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:弗仑克尔缺陷和肖特基缺陷。
弗伦克尔缺陷是质点离开正常格点后进入到晶格间隙位置，其特征是空位和间隙质点成对出现。
肖特基缺陷是质点由表面位置迁移到新表面位置，在晶体表面形成新的一层，同时在晶体内部留下空位。
色心能吸收可见光的晶体缺陷
红宝石
红宝石的化学成分：Al2O3， 3+ ）而成红至紫红色。只 因含微量元素铬（Cr 有由Cr3+致色的红色的刚玉才能够叫做红宝石 晶系：属三方晶系。 结晶习性：晶体形态常呈桶状、短柱状、板状等。 集合体多为粒状或致密块状。 折射率：1.762-1.770， 多色性：二色性明显，常表现为：紫红/褐红， 深红/红，红/橙红，玫瑰红/粉红
特殊光学效应：星光效应，在光线的照射下会反 射出迷人的六射星光或十二射星光，变色效应 摩氏硬度为：9
红宝石多色性的形成机理
少量的Cr3+ 进入刚玉晶体后, Cr3+ 周围的晶体原 子会对Cr3+ 的3d 壳层电子能级产生一定的影响。 在晶体场的作用下, Cr3+ 的3d 能级会发生分裂, 分裂形成一系列分立能级。 在光电场的作用下, 电子在这些分立能级间的跃 迁就形成一系列Cr3+ 的吸收谱。 入射光的偏振方向平行C 轴时, 红宝石对黄绿光 的吸收强度小, 而对紫蓝光的吸收强度略大; 当入 射光的偏振方向垂直C 轴时,红宝石对黄绿光的吸 收强度大, 而对紫蓝光的吸收强度略小。由此产 生了红宝石的多色性：紫红色- 橙红色。
碱金属卤化物中几种常见色心的模型
色心着色的原理
1
2
的存在 V
Cl
V
捕获电子形成色心 Cl
3 色心的电子从基态跃迁到激发态
产生色心的方法
1 射线辐照法
2 高温下于碱金属蒸气中处理法 3 高温下让电流通过晶体法
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色心(colour centre)及点缺陷的研究方法
固体物理和固体化学里的一个相当大的领域与研究碱金属卤化物晶体中的色心有关[4]，最典型例子是F色心。
在20世纪20年代，Pohl[1]根据颜色的德文单词Farbe，把这种缺陷称为F中心（F-centre，德文为Farbenzentre）[4]，后人习惯上把它改称为色心。
NaCl晶体在Na蒸气中加热会变成浅绿黄色[4]，这种现象被认为与色心的形成有关。
此时，1个Na原子扩散到NaC1晶体的内部时，是以过剩的Na＋存在，同时引入1个电子。
为了保持晶格中Na＋和Cl–之间的位置关系，会造成1个Cl–空位，这种阴离子空位称为α中心，在本例中可写成V Cl·。
这个失去了负电荷的空位带正电，能捕获由Na所引入的1个价电子，形成了所谓的F色心和1个Na＋。
显然，F色心是由1个阴离子空位和1个在此位置上的电子组成的，它是个陷落的电子中心(a trapped-electron centre)，在本例的情况下，写成(V Cl·e′)。
一般来说，碱金属原子的价电子并不束缚在某个特定的原子或离子上，它可以迁移穿越过点阵，并最终束缚在卤素原子空位上。
有人提出，电子主要分布在与空位配位的金属阳离子上[1]，它是靠晶体其余部分的静电力而保持在那里的。
F色心实际上是没有原子核的价电子，或称为类氢原子(a hydrogen-like atom)[2]。
这个被α中心俘获的电子提供了“箱中电子”(an electron in a box)的一个经典实例[4]。
这箱中电子有一系列能级可用，约1.6×10-18 J的能带间隙可使色心电子在不同能级之间发生迁移[1]。
电子从一个
能级跃迁到另一个能级，所需的能量与电磁波谱的可见区有关，形成了F色心的颜色。
在许多情况下，把经过辐照而呈某种颜色的晶体加热，能使其失去颜色。
这可能是由于辐照能造成与色心相联系的带电缺陷，加热会使此种缺陷的扩散和反应过程加速，从而使因辐照造成的破坏得以修复。
由于非化学计量化合物总是和电荷缺陷有关，因而和色心相联系，所以这类化合物往往带有颜色。
各能级的能量值和观察到的颜色取决于主晶体，而与电子的来源无关。
例如，在钾蒸气中加热的NaCl与在钠蒸气中加热的NaCl具有相同的浅黄色，而在钾蒸气中加热的KCl 则成为紫色[4]。
此外，观测到带色NaCl晶体的密度比不带色晶体的低。
这些事实都可证明，把与上述例子中有关的效应归因于与主晶体的空位缺陷有关的假设是正确的。