固体物理71晶体缺陷基本类型
第四章 固体物理-晶体缺陷
点缺陷
• Frenkel 缺陷 、Schottky缺陷、填隙原子缺陷 成对出现 只有空位 只有填隙原子
线缺陷
刃位错：刃位错的构成象似一把刀劈柴似的，把半个原子面夹到完整晶体中，这半 个面似刀刃，因而得名。它的特点是：原子只在刃部的一排原子是错排的，位错线 垂直于滑移方向。
F H A’
b
刃位错
A
B
有N个原子的体系，如果有n1个空位，每个原子旁有 空位的几率为n1/N，因此因空位引起的单位时间内的 原子迁移几率为（扩散率）：q = n1q’/N。将（4.6） 和（4.4）代入有：
q n 01e
（u1 E1 ） / kT
（ 4.15 ）
将（4.15）代入（4.9）有：
1 2 （u1 E1 ） / kT D1 n 01e 6 即 D1 D01e Q1 / kT
（ 4.16 ） （ 4.17 ）
1 2 D01 n 01， Q1 N （ ）， A u1 E1 6 N A为阿弗加德罗常数，和 （ 4.6 ）所示经验公式符合
二、填隙原子机制
当原子由正常位置进入间隙位置之后，可以比较容易在 两个间隙中发生移动，从而产生扩散。
从正常位置跳入间隙位置的所需能量为u2，跳入几率为：
B’
E
螺位错：当晶体中存在螺位错时，原来的一组晶面就象变成似单个晶面组成的螺旋阶梯 。它的特点是：原子只在靠近阶梯的部分排错一列原子，位错线和位移方向平行。
A’
螺位错
A B
A’
b
A’
B
A
C
面位错 晶界和堆垛层错
§4.2 热缺陷数目的统计方法
热缺陷是处在不断产生、不断运动和不断复合的热运动 平衡过程中。
晶体缺陷
晶体缺陷晶体缺陷crystal defects实际晶体中原子偏离理想的周期性排列的区域称作晶体缺陷。
晶体缺陷在晶体中所占的总体积很小，也就是说，实际晶体中的绝大部分区域，原子排列于周期性位置上。
因此，晶体缺陷是近完整晶体中的不完整性。
但晶体缺陷对固体的许多结构敏感的物理量（如引起形变的临界切应力、扩散系数等）有极大的影响，晶体缺陷的研究对材料的强度、热处理等问题的研究有很重要的作用。
晶体缺陷分为：①点缺陷，包括空位、自填隙原子、代位原子、异类填隙原子等；②线缺陷，如位错；③面缺陷，如堆垛层错、孪晶界、反相畴界等，面缺陷还可以包括晶体表面、晶界和相界面（见界面）。
点缺陷图1是点缺陷的示意图,表示各种点缺陷的形式。
热平衡状态下点缺陷浓度C 遵从统计物理规律C＝exp(－u/kT)这里k是玻耳兹曼常数;T是绝对温度;u是点缺陷形成能。
常用金属铁、铜、铝等的室温平衡空位浓度很小，接近熔点时的空位浓度约为 10-4。
自填隙原子形成能是空位形成能的3～4倍，其平衡浓度极小。
代位原子和异类填隙原子的最大浓度由相图决定。
表面空位和增原子的形成能和表面的取向关系很大,但都比体空位形成能小。
在某些表面，它们的形成能只有体空位形成能的一半。
因此它们的平衡浓度比体空位高得多（见晶体表面）。
界面的曲率半径ρ对平衡空位浓度Cv的影响由下式表示：这里 C0是界面曲率为零(曲率半径ρ为无穷大)的空位浓度，σ是界面能，V是原子体积。
图2a表示曲率半径不同引起的表面空位的浓度差（曲率半径不同对界面附近体空位浓度的影响类似）。
表面增原子浓度受到的影响和表面空位受到的影响相反(上式的括号内加一负号)。
由此引起的表面空位流和增原子流会使波浪状表面变平（图2a）；使两个颗粒颈部变粗（图2b）。
这是粉末冶金烧结过程的重要理论依据。
非平衡状态下点缺陷浓度可以大大超过平衡浓度。
从熔点附近淬火后得到的过饱和空位浓度可以比平衡浓度大几个数量级。
形变产生的空位浓度达10-4 ε(ε是应变量)。
晶体缺陷类型
晶体缺陷类型晶体缺陷是指晶体中存在的原子或离子排列不规则或异常的现象。
晶体缺陷可以分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种类型。
一、点缺陷点缺陷是晶体中原子或离子位置的局部不规则，主要包括空位、间隙原子和杂质原子。
1. 空位空位是指晶体中原子或离子在其晶体格点上的位置空缺。
晶体中的空位可以通过热处理、辐射或化学反应形成。
空位的存在会降低晶体的密度和电子迁移率，影响材料的性能。
2. 间隙原子间隙原子是指晶体中原子或离子占据晶体格点之间的空隙位置。
间隙原子的存在会导致晶体的畸变和疏松，影响材料的机械性能和导电性能。
3. 杂质原子杂质原子是指晶体中非本原子或离子替代晶体中的原子或离子。
杂质原子的存在会改变晶体的导电性、光学性质和热稳定性。
常见的杂质原子有掺杂剂、杂质原子和缺陷聚集体。
二、线缺陷线缺陷是晶体中原子或离子排列沿着一条线或曲线出现的不规则现象，主要包括位错和螺旋线缺陷。
1. 位错位错是晶体中原子或离子排列的一种不规则现象，可以看作是晶体中某一面上原子排列与理想晶体的对应面上的原子排列不匹配。
位错的存在会导致晶体的畸变和塑性变形，影响材料的力学性能。
2. 螺旋线缺陷螺旋线缺陷是晶体中原子或离子排列呈螺旋状的一种不规则现象。
螺旋线缺陷的存在会导致晶体的扭曲和磁性变化，影响材料的磁学性能。
三、面缺陷面缺陷是晶体中原子或离子排列在一定平面上不规则的现象，主要包括晶界和堆垛层错。
1. 晶界晶界是晶体中两个晶粒之间的交界面，是晶体中最常见的面缺陷。
晶界的存在会影响晶体的力学性能、导电性能和晶体的稳定性。
2. 堆垛层错堆垛层错是晶体中原子或离子排列在某一平面上的堆垛出现错误的现象。
堆垛层错的存在会导致晶体的畸变和位错密度增加，影响材料的机械性能和热稳定性。
总结：晶体缺陷是晶体中存在的原子或离子排列不规则或异常的现象。
根据缺陷的不同类型，晶体缺陷可以分为点缺陷、线缺陷和面缺陷。
点缺陷主要包括空位、间隙原子和杂质原子，线缺陷主要包括位错和螺旋线缺陷，面缺陷主要包括晶界和堆垛层错。
晶体缺陷
一、概述1、晶体缺陷：晶体中原子（离子、分子）排列的不规则性及不完整性。
种类：点缺陷、线缺陷、面缺陷。
1) 由上图可得随着缺陷数目的增加，金属的强度下降。
原因是缺陷破坏了警惕的完整性，降低了原子间结合力，从宏观上看，即随缺陷数目增加，强度下降。
2) 随着缺陷数目的增加，金属的强度增加。
原因是晶体缺陷相互作用（点缺陷钉扎位错、位错交割缠结等），使位错运动的阻力增加，强度增加。
3) 由此可见，强化金属的方向有两个：一是制备无缺陷的理想晶体，其强度最高，但实际上很难；另一种是制备缺陷数目多的晶体，例如：纳米晶体，非晶态晶体等。
二、点缺陷3、点缺陷：缺陷尺寸在三维方向上都很小且与原子尺寸相当的缺陷（或者在结点上或邻近的微观区域内偏离晶体结构正常排列的一种缺陷），称为点缺陷或零维缺陷。
分类：空位、间隙原子、杂质原子、溶质原子。
4、肖特基空位：原子迁移到晶体表面或内表面正常结点位置使晶体内形成的空位。
5、弗仑克尔空位：原子离开平衡位置挤入点阵间隙形成数目相等的空位和间隙原子，该空位叫做弗仑克尔空位。
6、空位形成能EV：在晶体中取出一个原子放在晶体表面上（不改变晶体表面积和表面能）所需的能量。
间隙原子形成能远大于空位形成能，所以间隙原子浓度远小于空位浓度。
7、点缺陷为热平衡缺陷，淬火、冷变形加工、高能粒子辐照可得到过饱和点缺陷。
8、复合：间隙原子和空位相遇，间隙原子占据空位导致两者同时消失，此过程成为复合。
9、点缺陷对性能的影响：点缺陷使得金属的电阻增加，体积膨胀，密度减小；使离子晶体的导电性改善。
过饱和点缺陷，如淬火空位、辐照缺陷，还可以提高金属的屈服强度。
三、线缺陷10、线缺陷：线缺陷在两个方向上尺寸很小，另外一个方向上延伸较长，也称为一维缺陷。
主要为各类位错。
11、位错：位错是晶体原子排列的一种特殊组态；位错是晶体的一部分沿一定晶面与晶向发生某种有规律的错排现象；位错是已滑移区和未滑移区的分界线；位错是伯氏矢量不为零的晶体缺陷。
固体物理 第四章 晶体中的缺陷
实际 理论
位错滑移
原因：存在于晶体内部的位错极大地降低了产生滑 移所需的临界应力. 一部分原子先运动 其它原子相继运动
（形成位错）
晶体沿滑移面的整体滑移
二、刃位错(棱位错)的滑移
位错线附近原子结构已有明显畸变，使原子处于不稳 定状态，施加较小的切变力 ，畸变后的原子将在滑 τ 移面上平行于切变力方向移动；当位错线移出，在晶 体表面形成一个原子台阶。
3、堆积层错
就是指正常堆垛顺序中引入不正常顺序堆 垛的原子面而产生的一类面缺陷。
抽出型层错
插入型层错
3）杂质缺陷
由外加杂质的引入所产生的缺陷，亦称为组成缺陷。 杂质缺陷的浓度与温度无关。 为了有目的地改善器件性能，人为地引入杂质原子。 例如： 硅半导体中：
掺入一个硼原子 105 个硅原子 电导率增加 103倍
红宝石激光器中：
刚玉晶体 Al2O3 形成发光中心 铬离子 Cr
4) 由于形成点缺陷需向晶体提供附加的能量，因而引起附加 比热容。
5) 点缺陷还影响其它物理性质：如扩散系数、内耗、介电常 数等。
§4.2 空位、填隙原子的运动和统计计算 一、空位、填隙原子的运动 空位和填隙原子的跳跃依靠热涨落，与温度紧密相关。 以填隙原子为例说明。 势 能 势能ε约为几个eV
掺入微量
3、点缺陷对材料性能的一般影响
原因：无论哪种点缺陷的存在，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) 改变材料的电阻 电阻来源于离子对传导电子的散射。在完 整晶体中，电子基本上是在均匀电场中运动，而在有缺陷 的晶体中，在缺陷区点阵的周期性被破坏，电场急剧变化， 因而对电子产生强烈散射，导致晶体的电阻率增大。 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。
晶体缺陷
位错具有以下基本性质：
位错是晶体中原子排列的线缺陷，不是几何意义的线，是有 一定尺度的管道。 形变滑移是位错运动的结果，并不是说位错是由形变产生的， 因为即使是在一块生长看起来很完美的晶体中，其内部仍然存 在很多位错。 位错线可以终止在晶体的表面（或多晶体的晶界上），但不 能终止在一个完整的晶体内部。 在位错线附近有很大应力集中，附近原子能量较高，易运动。 位错主要有两种：刃型位错和螺型位错缺陷
三、面缺陷
面缺陷是指沿着晶格内或晶粒间某些面的两侧局部范围内所出 现的晶格缺陷。 面缺陷主要有同种晶体内的晶界，小角晶界，层错，以及异种 晶体间的相界等。
KTP晶体中的双晶界
Tb：YAB晶体的腐蚀坑形态－－挛晶
Yb：YAB晶体的孪晶
TYb：YAB晶体的孪晶
面缺陷主要有以下几种： 平移界面： 晶格中的一部分沿着某一面网相对于另一部分滑 动(平移)。 堆跺层错： 晶体结构中周期性的互相平行的堆跺层有其固有 的顺序。如果堆跺层偏离了原来固有的顺序，周期性改变，则 视为产生了堆跺层错。 晶界：是指同种晶体内部结晶方位不同的两晶格间的界面，或 说是不同晶粒之间的界面。按结晶方位差异的大小可将晶界分 为小角晶界和大角晶界等。小角晶界一般指的是两晶格间结晶 方位差小于10度的晶界。 相界：结构或化学成分不同的晶粒间的界面称为相界。
四、体缺陷
体缺陷，是指在晶体中三维尺度上出现的周期性排列的紊乱，也就是在较 大的尺寸范围内的晶格排列的不规则。这些缺陷的区域基本上可以和晶体 或者晶粒的尺寸相比拟，属于宏观的缺陷，较大的体缺陷可以用肉眼就能 够清晰观察。 体缺陷有很多种类，常见的有包裹体、气泡、空洞、微沉淀等。这些缺陷 区域在宏观上与晶体其他位置的晶格结构、晶格常数、材料密度、化学成 分以及物理性质有所不同，好像是在整个晶体中的独立王国。 比如，空洞是在晶体中包含的较大的空隙区，微沉淀是指在晶体中出现的 分离相，是由某些超浓度的杂质所形成的，包裹体则是在晶体中包裹了其 他状态的成分，多为生长时原来的液体。
晶体缺陷与类型
杂质缺陷
置换缺陷 置换型固溶体
插入缺陷 间隙型固溶体
固体化学 第五讲
非化学计量比缺陷
氧化气氛下，2各Fe 3 ＋代替2个Fe 2 ＋，形成 一个Fe 2 ＋的空位：
V
'' Fe
固体化学 第五讲
缺陷族 缺陷聚集体） （缺陷聚集体）
缺陷族：两个或两个以上的点缺陷有规律的集聚。 缺陷族
例如：双瓣填隙缺陷族 正负离子空位对 双瓣填隙缺陷族、正负离子空位对 双瓣填隙缺陷族 正负离子空位对等
固体化学
晶体缺陷与类型
第五讲
（点、线、面、体缺陷和玻璃体） 体缺陷和玻璃体）
固体化学 第五讲
理想晶体与实际晶体
理想晶体：组成晶体的全部 理想晶体 原子定位在晶体结构中正确 的位置上。 实际晶体：部分（少部分） 实际晶体 原子放错了地方（位错）。 玻璃体： 玻璃体：所有（大部分）原 子都放错了位置。 放错位置的表现：
固体化学 第五讲
位错的表征参数
位错密度
单位体积的晶体中 位错线的总长度。 等于在垂直于位错 线的平面上单位面 积内的位错露头数 （位错露头 位错露头是指位 位错露头 错线和观察表面的 交点）。
柏氏矢量
是位错的滑移矢量或位移矢量。 是在有缺陷的晶体中沿着柏氏回路晶体的弹性 弹性 变形（弹性位移）的迭加。 变形 柏氏矢量越大，由位错引起的晶体弹性 晶体弹性能越高。 晶体弹性
振动 空位 置换 插入 滑移 转动
固体化学 第五讲
实际晶体的类型
点缺陷 缺陷族（缺陷聚集体） 刃位错与螺位错 晶粒与界面 体缺陷
固体化学 第五讲
点缺陷
点缺陷： 点缺陷：在任何方向上缺陷区的尺寸都小于晶体或晶粒的线度
缺陷（几个原子尺寸范围）。
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。
晶体缺陷的分类
晶体缺陷的分类
1. 点缺陷，就像生活中的小瑕疵一样。
比如说金属晶体里少了个原子，这就是点缺陷呀！它虽然小，可对晶体的性能影响却不小呢！
2. 线缺陷，嘿，这就像一条小裂缝在晶体中蔓延。
想想看，位错不就是这样嘛，对晶体的强度等方面有着重要作用呢！
3. 面缺陷，哇哦，这好比晶体中有个明显的界面呀！像晶界、相界这些，对晶体的一些特性那可是有着关键影响的咧！
4. 空位缺陷，不就像是晶体里本该有的位置空了出来嘛，就像教室里面少了个同学一样明显，会引起一系列的变化哦！
5. 间隙原子缺陷，这多有趣，就像是硬生生挤进了一个不该在那的原子呀，对晶体的结构稳定性会带来挑战呢！
6. 杂质原子缺陷，就仿佛外来者闯入了晶体的世界。
比如说在硅晶体里掺杂其他原子，这影响可大啦！
7. 刃型位错，它就像晶体中一把隐形的刀呀，对晶体的变形等行为有着特殊意义呢！
8. 螺型位错，像不像一条螺旋状的小过道在晶体中呢，在晶体的生长等过程中作用明显得很呢！
9. 混合位错，哈哈，这就是前两种位错的结合体呀，复杂又有趣呢，对晶体来说可真是个特别的存在哟！
我的观点结论就是：晶体缺陷的分类可真是丰富多样又奇妙无比，每一种都有着独特的魅力和重要的作用呀！。
固体物理电子教案7.1晶体缺陷的基本类型
晶体的缺陷
结构缺陷： 没有杂质的具有理想的化学配比 的晶体中的缺陷，如空位，填隙 原子，位错。
化学缺陷： 由于掺入杂质或同位素，或者化学 配比偏离理想情况的化合物晶体中 的缺陷，如杂质，色心等。
§7.1 晶体缺陷的基本类型
实际晶体往往是由许多块具有完整性结构 的小晶体组成的，这些小晶体彼此间的取向有 着小角倾斜，为了使结合部分的原子尽可能地 规则排列，就得每隔一定距离多生长出一层原 子面，这些多生长出来的半截原子面的顶端原 子链就是刃型位错。
小角晶界上的刃型位错相互平行。
小角晶界上位错相隔的距离为 D b ,
b为原子间距，为两部分的倾角。
构成填隙原子的缺陷时，必须使原子挤入晶格的间隙位 置，所需的能量要比造成空位的能量大些，所以对于大多数的 情形，特别是在温度不太高时，肖特基缺陷存在的可能性大于 弗仑克尔缺陷。
２．杂质原子 在材料制备中，有控制地在晶体中引入杂质原子，若杂质 原子取代基质原子而占据格点位置，则成为替代式杂质。
当外来的杂质原子比晶体本身的原子小时，这些比较小的
7.1.2 线缺陷
当晶格周期性的破坏是为线缺陷。位错就是线缺陷。
G
刃型位错 螺旋位错
H
A A F B b B E
1.刃型位错
刃型位错
设想晶体的上部沿ABEF平面向右推移， AB 原来与AB
重合，经过这样的推压后，相对于AB滑移一个原子间距b，EF
是已滑移区与未滑移区的交界线，称为位错线。
外来原子很可能存在于间隙位置，称它们为填隙式杂质。填隙 式杂质的引入往往使晶体的晶格常量增大。
３．色心 能吸收可见光的晶体缺陷称为色心。 完善的晶体是无色透明的，众多的色心缺陷能使晶体呈 现一定颜色，典型的色心是Ｆ心。
晶体中的缺陷
晶体中的缺陷晶体中的缺陷及其对材料性能的影响前⾔晶体的主要特征是其中原⼦（或分⼦）的规则排列，但实际晶体中的原⼦排列会由于各种原因或多或少地偏离严格的周期性，于是就形成了晶体的缺陷，晶体中缺陷的种类很多，它影响着晶体的⼒学、热学、电学、光学等各⽅⾯的性质。
晶体的缺陷表征对晶体理想的周期结构的任何形式的偏离。
晶体缺陷的存在，破坏了完美晶体的有序性，引起晶体内能U和熵S增加。
按缺陷在空间的⼏何构型可将缺陷分为点缺陷、线缺陷、⾯缺陷和体缺陷，它们分别取决于缺陷的延伸范围是零维、⼀维、⼆维还是三维来近似描述。
每⼀类缺陷都会对晶体的性能产⽣很⼤影响，例如点缺陷会影响晶体的电学、光学和机械性能，线缺陷会严重影响晶体的强度、电性能等。
⼀、晶体缺陷的基本类型点缺陷1、点缺陷定义由于晶体中出现填隙原⼦和杂质原⼦等等，它们引起晶格周期性的破坏发⽣在⼀个或⼏个晶格常数的限度范围内，这类缺陷统称为点缺陷。
这些空位和填隙原⼦是由热起伏原因所产⽣的，因此⼜称为热缺陷。
2、空位、填隙原⼦和杂质空位：晶体内部的空格点就是空位。
由于晶体中原⼦热运动，某些原⼦振动剧烈⽽脱离格点跑到表⾯上，在内部留下了空格点，即空位。
填隙原⼦：由于晶体中原⼦的热运动，某些原⼦振动剧烈⽽脱离格点进⼊晶格中的间隙位置，形成了填隙原⼦。
即位于理想晶体中间隙中的原⼦。
杂质原⼦：杂质原⼦是理想晶体中出现的异类原⼦。
3、⼏种点缺陷的类型弗仑克尔缺陷：原⼦（或离⼦）在格点平衡位置附近振动，由于⾮线性的影响，使得当粒⼦能量⼤到某⼀程度时，原⼦就会脱离格点，⽽到达邻近的原⼦空隙中，当它失去多余动能后，就会被束缚在那⾥，这样产⽣⼀个暂时的空位和⼀个暂时的填隙原⼦，当⼜经过⼀段时间后，填隙原⼦会与空位相遇，并同空位复合；也有可能跳到较远的间隙中去。
若晶体中的空位与填隙原⼦的数⽬相等，这样的热缺陷称为弗仑克尔缺陷。
肖特基缺陷：空位和填隙原⼦可以成对地产⽣(弗仑克尔缺陷），也可以在晶体内单独产⽣。
晶体缺陷的基本类型和特征
晶体缺陷的基本类型和特征
晶体缺陷是晶体中原子或离子位置的错误或不规则排列。
基本类型和特征包括以下几种：
1. 点缺陷：点缺陷是晶体中原子或离子缺失、替代或插入所引起的缺陷。
常见的点缺陷包括：空位缺陷（晶体中存在未被占据的空位）、插入缺陷（晶格中多余的原子或离子）、置换缺陷（晶体中某种原子或离子被其他种类的原子或离子替代）。
2. 线缺陷：线缺陷是沿晶体中某一方向的错误排列或不规则缺陷。
常见的线缺陷包括：位错（晶体中原子排列错误引起的错位线）、螺旋位错（沿着晶格某个方向成螺旋形排列的错位线）。
3. 面缺陷：面缺陷是晶体中平面上原子排列错误或不规则的缺陷。
常见的面缺陷包括：晶界（不同晶体颗粒的交界面）、层错（晶体中平行于某一层的错位面）。
4. 体缺陷：体缺陷是三维空间中晶体结构的错误或不规则排列。
常见的体缺陷包括：空间格点缺陷（晶体晶格中存在未被占据的空间）、体间隙（晶体中原子或离子占据不规则的空间位置）。
每种缺陷类型都有其特定的物理和化学性质，对晶体的电学、光学、磁学等性质都有影响。
因此，研究晶体缺陷对于理解晶体的结构和性质至关重要。
16、晶体缺陷
W W1W0
(12)
第 28 页
§4.3 热缺陷的统计理论
Page 29
W W1W0
W0
：晶格振动微观状态数目：
(12)
W1：热缺陷引起的原子排列微观状态数目。 从N个原子中取n个原子形成n个空位的可能方式数为：
W1
N! (13) ( N n)!n!
这n个原子进入N’个间隙位置而形成填隙原子的可能排列方式数为：
n1
个空位单位时间内复合掉的填隙原子数目为
复合率
n1 n2 ( 3) 1N
第 22 页
§4.3 热缺陷的统计理论 填隙原子的产生率： 单位时间内一个正常格点上的原子跳到间隙位置的几率为 P 正常格点上一共有
Page 23
N n1
个原子
单位时间内产生的填隙原子数目为
( N n1 ) P PN
e
E1 kBT
成正比。设与空位相邻的原子的振动频率为
01
所以与空位相邻的原子在单位时间内跳过势垒的次数是
P1 01e E
1
k BT
(1)
第 19 页
§4.3 热缺陷的统计理论 其倒数即为空位每跳跃一步所需的时间
1
1
01
eE
1
kBT
( 2)
3、空位与填隙原子的复合率与产生率
N ! W1 (14) ( N n)!n!
第 29 页
§4.3 热缺陷的统计理论
Page 30
有热缺陷后晶格的微观状态数目为：
N ! N ! W W1W1W0 W0 2 ( N n)!( N n)!n!
熵的改变量为
(15)
S S S0
晶体中的缺陷
空位的移动
原子作热振动，一定温度下原子热振动能量一定，呈统计 分布，在瞬间一些能量大的原子克服周围原子对它的束缚，迁 移至别处，形成空位。
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。在某一温度下，晶体 自由焓最低时对应的点缺陷浓度为点缺陷的平衡浓度，用 CV 表示。 在一定温度下，晶体中有一定平衡数量的空位和间隙原 子，其数量可近似算出。 设自由能 F=U－TS U为内能，S为系统熵（包括振动熵Sf和排列熵SC） 空位的引入，一方面由于弹性畸变使晶体内能增加；另 一方面又使晶体中混乱度增加，使熵增加。而熵的变化包括 两部分： ① 空位改变它周围原子的振动引起振动熵Sf； ② 空位在晶体点阵中的排列可有许多不同的几何组态，使 排列熵SC增加。
X原子位于晶格间隙位置。 3. 错位原子 错位原子用MX、XM等表示，MX的含义是M原子占据X原子的位
置。XM表示X原子占据M原子的位置。
4. 自由电子（electron）与电子空穴 (hole） 分别用e，和h · 来表示。其中右上标中的一撇“，”代表一个单位负电荷，
一个圆点“ ·”代表一个单位正电荷。
点缺陷基本理论小结
1、点缺陷是热力学稳定的缺陷。 2、不同金属点缺陷形成能不同。 3、点缺陷浓度与点缺陷形成能、温度密切相关
n C exp( SV / k ) exp( EV / kT ) A exp( EV / kT ) N
4、点缺陷对金属的物理及力学性能有明显影响 5、点缺陷对材料的高温蠕变、沉淀、回复、表面氧化、 烧结有重要影响
T CV
100K 300K 500K 10-57 10-19 10-11
700K 900K 1000K 10-8.1 10-6.3 10-5.7
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弗仑克尔缺陷 肖特基缺陷
１．弗仑克尔缺陷和肖特基缺陷
弗仑克尔缺陷 当晶格中的原子脱离格点后，移到间隙位置形成填隙原 子时，在原来的格点位置处产生一个空位，填隙原子和空位成 对出现，这种缺陷称为弗仑克尔缺陷。
肖特基缺陷
当晶体中的原子脱离格点位置后不在晶体内部形成填隙原 子，而是占据晶体表面的一个正常位置，并在原来的格点位置 产生一个空位，这种缺陷称为肖特基缺陷。
构成填隙原子的缺陷时，必须使原子挤入晶格的间隙位 置，所需的能量要比造成空位的能量大些，所以对于大多数的 情形，特别是在温度不太高时，肖特基缺陷存在的可能性大于 弗仑克尔缺陷。
２．杂质原子 在材料制备中，有控制地在晶体中引入杂质原子，若杂质 原子取代基质原子而占据格点位置，则成为替代式杂质。
当外来的杂质原子比晶体本身的原子小时，这些比较小的
外来原子很可能存在于间隙位置，称它们为填隙式杂质。填隙 式杂质的引入往往使晶体的晶格常量增大。
３．色心 能吸收可见光的晶体缺陷称为色心。 完善的晶体是无色透明的，众多的色心缺陷能使晶体呈 现一定颜色，典型的色心是Ｆ心。
把碱卤晶体在碱金属的蒸气中加热，然后使之聚冷到室温, 则原来透明的晶体就出现了颜色，这个过程称为增色过程，这 些晶体在可见光区各有一个吸收带称为F带，而把产生这个带 的吸收中心叫做F心。
则晶面的排列形式为： ABCABCABCABC
如果在晶体生长过程中，原来的Ａ晶面丢失，于是晶
面的排列形式变成： ABCABCBCABC
加 的B晶面便成为错位的面缺陷。
如从某一晶面开始，晶体的两部分发生滑移，比如从某C 晶面以后整体发生了滑移，B变成A，则晶面的排列形式变成：
ABCABCBACBAC
加 的C面成为错位的面缺陷。
这一类整个晶面发生错位的缺陷称为堆垛缺陷。
第一节 晶体缺陷的基本类型
本节主要内容： 7.1.1 点缺陷 7.1.2 线缺陷 7.1.3 面缺陷
晶体缺陷（晶格的不完整性）：晶体中任何对完整周期性 结构的偏离就是晶体的缺陷。
晶体的缺陷
结构缺陷： 没有杂质的具有理想的化学配比 的晶体中的缺陷，如空位，填隙 原子，位错。
化学缺陷： 由于掺入杂质或同位素，或者化学 配比偏离理想情况的化合物晶体中 的缺陷，如杂质，色心等。
7.1.2 线缺陷
当晶格周期性的破坏是发生在晶体内部一条线的周围近邻，
这就称为线缺陷。位错就是线缺陷。
G
刃型位错 螺旋位错
H
A A F B b B E
1.刃型位错
刃型位错
设想晶体的上部沿ABEF平面向右推移， AB 原来与AB
重合，经过这样的推压后，相对于AB滑移一个原子间距b，EF
是已滑移区与未滑移区的交界线，称为位错线。
４．极化子 电子吸引邻近的正离子，使之内移。排斥邻近的负离子， 使之外移，从而产生极化。
－＋－＋－ ＋ －＋－＋ －＋ ＋－ ＋ －＋－＋ －＋－＋－
电子所在处出现了趋于 束缚这电子的势能阱，这种束 缚作用称为电子的“自陷”作 用。
负离子空位和被它俘获的电子
产生的电子束缚态称为自陷态，同杂质所引进的局部能 态有区别，自陷态永远追随着电子从晶格中一处移到另一处， 这样一个携带着周围的晶格畸变而运动的电子，可看作一个准 粒子(电子＋晶格的畸变），称为极化子。
§7.1 晶体缺陷的基本类型
缺陷分类（按缺陷的几何形状和涉及的范围）： 点缺陷、线缺陷、面缺陷
7.1.1 点缺陷
点缺陷：它是在格点附近一个或几个晶格常量范围内的一 种晶格缺陷，如空位、填隙原子、杂质等。
由于空位和填隙原子与温度有直接的关系，或者说与原子 的热振动有关，因此称他们为热缺陷。
常见的热缺陷
刃型位错的位错线与滑移方向垂直。
G H
A A F B b B E
(a)
H
B b)
(b)图是 (a)图在晶体中垂直于EF方向的一个原子平面的情
况。BE线以上原子向右推移一个原子间距，然后上下原子对
齐，在EH处不能对齐，多了一排原子。
刃型位错的另一个特征是位错线EF上带有一个多余的半 平面，即 (a)图中的EFGH平面，该面在(b)图中只能看到EH这 条棱边。
实际晶体往往是由许多块具有完整性结构 的小晶体组成的，这些小晶体彼此间的取向有 着小角倾斜，为了使结合部分的原子尽可能地 规则排列，就得每隔一定距离多生长出一层原 子面，这些多生长出来的半截原子面的顶端原 子链就是刃型位错。
小角晶界上的刃型位错相互平行。
小角晶界上位错相隔的距离为 D b ,
b为原子间距，为两部分的倾角。
(a) (b)
7.1.3 面缺陷
当晶格周期性的破坏是发生在晶体内部一个面的近邻， 这种缺陷为面缺陷。
1.晶粒间界 晶粒之间的交界称为晶粒间界。晶粒间界内原子的排列是 无规则的。因此这种边界是面缺陷。晶粒间界内原子排列的结 构比较疏松，原子比较容易沿晶粒间界扩散。
2.堆垛间界 我们知道金属晶体常采用立方密积的结构形式，而立方密 积是原子球以三层为一组，如果把这样的一组三层记为 ABC，
D b
2.螺旋位错
如图(a)设想把晶体沿ABCDDAA
平面分为上、下两部分，将晶体的上、 下做一个位移，ABCD为已滑移区， AD为滑移区与未滑移区的分界线， 称为位错线。
螺旋位错的位错线与滑移方向平行。
(b)图中的B点是螺旋位错线(上下方 向)的露出点。晶体绕该点右旋一周，原 子平面上升一个台阶(即一个原子间距)， 围绕螺旋位错线的原子面是螺旋面。