材料缺陷简介

色心
色心是离子晶体中一个负离子空位和一个被束缚在缺位 库仑场中的电子所形成的缺陷。是一种非化学计量比引起 的空位缺陷，该空位能吸收可见光使原来透明的晶体出现 颜色。色心又称F心。 电荷缺陷的存在使晶体的绝缘性变差。
形成过程是碱卤晶体在相应的过量碱金属蒸气中加热。例 如NaCl晶体在Na蒸气中加热后呈黄色；KCl晶体在K蒸气 中加热后呈紫色。
F心的着色原理在于加热过程中过量的碱金属原子进入 晶体占据碱金属格点位置。晶体为保持电中性，会产生 相应数目的负离子空位。同时，处于格点的碱金属原子 被电离，失去的电子被带正电的负离子空位所束缚，从 而在空位附近形成F心。F心可以看成是束缚在负离子空 位处的一种“电子陷阱”。
与F心相对的色心是V心。当碱卤晶体在过量的卤素蒸气 中加热后，由于大量的卤素进入晶体，为保持电中性， 在晶体中出现了正离子空位，形成负电中心。这种负电 中心可以束缚一个带正电的“空穴”所组成的体系称为 V心。 F心和V心在结构上是碱卤晶体中两种最简单的缺陷。在 有色心存在的晶体中，A、B两种元素的比例已偏离严格 的化学计量比。所以色心是一种非化学计量引起的缺陷。 色心的应用 光学材料着色，宝石着色。 色心激光晶体 光敏材料，光致变色材料：信息存储与读写
晶体结构分类
• 金属晶体 • 离子晶体
• 金属材料
• 无机非金属材料 • 高分子材料 • 复合材料
• 原子晶体 • 分子晶体
• 混合型晶体
源自文库
晶体缺陷
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，存在与理想原子排列的 偏离，即晶体缺陷。根据缺陷的尺寸特征，可分为 点缺陷、线缺陷、面缺陷。根据形成原因，可分为 热缺陷、杂质缺陷、非化学计量比缺陷等。 晶体缺陷在材料组织控制（如扩散、相变）和性能 控制（如材料强化）中具有重要作用。
组成缺陷
主要是一种杂质缺陷， 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，引 起晶格畸变，使组成发 生变化。引起原子价态 的变化。
电荷缺陷
晶体内原子或离子的外层电子受到外界的激发(热、光）， 有少部分电子成为自由电子，对应留下空穴。在它们附近 形成了一个附加电场，引起周期势场的畸变，造成晶体 的不完整，称为电荷缺陷。 电荷缺陷的存在使晶体的绝缘性变差。
点缺陷
• 理想晶体中的一些原子被外界原子所代替， 或者在晶格间隙中掺入原子，或者留有原子 空位，破坏了有规则的周期性排列，造成晶 体结构中原子位置的不完整性，称为点缺陷。 包括结构缺陷、组成缺陷、电荷缺陷。 • 点缺陷是在晶体晶格结点上或邻近区域偏离 其正常结构的一种缺陷。它是最简单的晶体 缺陷，在三维空间各个方向上尺寸都很小， 。 范围约为一个或几个原子尺度。
淬火导致的点缺陷变化
2）冷加工 金属在室温下进行 压力加工时，由于位错 交割所形成的割阶发生 攀移，从而使金属晶体 内空位浓度增加。
位错攀移引起的点缺陷变化
3）辐射 当金属受到高能粒子 (中子、质子、氘核、电子 等）辐照时，晶体中的原 子将被击出，挤入晶格间 辐照造成的点缺陷变化 隙中，由于被击出的原子 具有很高的能量，因此还有可能发生连锁作用，在晶体 中形成大量的空位和间隙原子。
弗伦克尔（Frenkel）缺陷
离开平衡位置的原子进入晶格的间隙位置，在原来位置 上留下空位所形成的缺陷。弗伦克尔缺陷的特点是空位 和间隙原子同时出现，晶体体积不发生变化，晶体不会 因为出现空位而产生密度变化。
晶体中弗伦克尔缺陷数目的多少与晶体结构有很大关系。 一般说，正负离子半径相差大时弗伦克尔缺陷是主要的， 这时形成填隙原子(或离子)所需能量较小。如AgCl。 一般情况下，由于Frenkel缺陷形成能较大，金属中很少 出现。但在某些特殊情况下，如受核辐照时，将出现大量 的Frenkel缺陷。这是造成金属辐照损伤的原因。 在一些离子晶体中，由于结构中的原因，可能形成某种 离子的Frenkel缺陷。例如，在卤化银中，就有银离子的 Frenkel缺陷。 总的来说，在离子晶体及共价晶体中，形成Frenkel缺陷 是比较困难的。
空位和间隙存在使晶体的内能（和焓）增加，也使振动 熵增加。产生一个空位（间隙）所增加的焓及增加的振 动熵分别称空位（间隙）形成焓△Hf及形成熵△Sf。另 一方面，空位（间隙）的存在破坏了晶体的规则排列， 因而有比完整晶体更大的组态熵。 金属中的空位平衡浓度是很低的，即使在接近熔点温度 也只有约10-4。例如铝的△Hf＝73.3×103J/mol ，△Sf ＝20J/mol· K，计算所得在靠近熔点的温度（933K）时 的平衡空位浓度Nv＝8.7×10-4。 间隙原子的形成焓比空位的约大一个数量级，所以它 的平衡浓度更是非常低的，一般在接近熔点时也只有 10-15 。
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。
结构缺陷
• 空位是晶体中没 有被占据的原子 位置，空的点阵 位置。 • 间隙是晶体本身 的原子占据了缝 隙位置。
空位、间隙等点缺陷的存在都会破坏晶体的规则排 列，使邻近的原子发生位移，即晶体发生畸变，从 而产生点阵应变能。使晶体的内能增加。
肖特基（Schottky）缺陷
离开平衡位置的原子迁移至晶体表面的正常格点位置， 而晶体内仅留有空位，晶体中形成了肖特基缺陷。晶体 表面增加了新的原子层，晶体内部只有空位缺陷。肖特 基缺陷的特点是晶体体积膨胀，密度下降。在离子晶体 中形成肖特基缺陷所需要的能量比形成弗伦克尔缺陷所 需要的能量少。对大多数晶体来说，这种缺陷是主要的 缺陷。
过饱和点缺陷(supersaturated point defect)的产生
在点缺陷的平衡浓度下晶体的自由能最低，系统 最稳定。当在一定的温度下，晶体中点缺陷的数目明显 超过其平衡浓度时，这些点缺陷称为过饱和点缺陷。
产生过饱和点缺陷的方法：
1）激冷 (淬火） 高温时晶体中的空位浓度 很高，经过淬火后，空位来不 及通过扩散达到平衡浓度，在 低温时仍保持了较高的空位浓 度。