离子晶体的点缺陷及其导电性
晶体缺陷异质结构
晶体缺陷异质结构在固体物理学中，晶体缺陷异质结构是一个关键的研究领域，它涉及到晶体中原子排列的局部不规则性及其对材料性能的影响。
晶体通常以其规则的原子排列和长程有序性而著称，然而，在实际晶体中，总会存在各种各样的缺陷和不规则性。
这些缺陷可以是由原子或离子的缺失、取代或位置错乱引起的，也可以是由外部因素如辐射、杂质或温度变化等引起的。
当这些缺陷以特定的方式排列或聚集时，它们就形成了所谓的“异质结构”。
一、晶体缺陷的类型晶体缺陷主要分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种类型。
1.点缺陷：点缺陷是最简单的晶体缺陷形式，它只涉及到晶体中单个或少量原子的位置错乱。
常见的点缺陷有空位、填隙原子和反位原子。
空位是指晶体中某个位置上原子的缺失；填隙原子是指位于晶体正常点阵间隙中的多余原子；反位原子则是指晶体中某种类型的原子占据了另一种类型原子的位置。
2.线缺陷：线缺陷，也称为位错，是晶体中一种常见的一维缺陷。
位错可以看作是晶体中一部分原子相对于其他部分发生了滑移，形成了一条连续的错位线。
位错对晶体的力学性质、电学性质等都有重要影响。
3.面缺陷：面缺陷是晶体中二维的缺陷形式，包括晶界、孪晶界和堆垛层错等。
晶界是指不同晶粒之间的界面，孪晶界是指晶体中两部分原子排列呈镜像对称的界面，而堆垛层错则是指晶体中原子层的堆垛顺序发生了错误。
二、异质结构的形成异质结构通常是由不同类型的晶体缺陷相互作用、聚集或排列而形成的。
例如，在某些情况下，点缺陷可能会聚集在一起形成团簇或纳米尺度的结构；线缺陷可能会相互交错或形成网络结构；而面缺陷则可能会分隔晶体成不同的区域或畴。
这些缺陷的聚集和排列方式取决于晶体的生长条件、处理历史以及外部环境等因素。
三、晶体缺陷异质结构对材料性能的影响晶体缺陷异质结构对材料的物理、化学和机械性能都有显著的影响。
以下是一些主要方面：1.力学性质：晶体缺陷可以降低材料的强度和硬度，增加其塑性和韧性。
例如，位错可以作为滑移的起点和传播路径，在材料受力时促进塑性变形。
晶体缺陷和材料性能
晶体缺陷和材料性能晶体缺陷是一种常见的材料学现象，它能够影响材料的力学、电学、热学等性能。
在材料科学中，深入了解晶体缺陷对材料性能的影响是非常重要的。
本文将介绍晶体缺陷的种类和其影响力学、电学、热学性能的机制。
一、晶体缺陷的种类晶体缺陷通常可以分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种：1.点缺陷：最简单的点缺陷是晶格中离子交换，如阴离子被阳离子占据。
空穴和插入的离子也属于点缺陷。
空穴是空出一个或多个原子位置的缺陷，它们造成晶体中电子和磁性的变化。
插入的离子是不同元素的原子，它们插入到晶体中取代其它原子位置。
2.线缺陷：线缺陷是晶格中的一条线，它与晶体中其它原子排列方式不同。
位错是最常见的线缺陷。
每个位错都是从一个或多个失配的原子重叠开始，其结果会改变晶体的物理特性。
3.面缺陷：面缺陷是晶体表面的缺陷，如晶界和小角度晶界。
晶界是两个或多个晶体的边界，它们对材料的物理和化学性质有很大影响。
小角度晶界也是晶界，它是两个晶体在晶界处缓慢旋转而形成的。
由于晶界存在，会导致晶体的力学和电学性质发生改变。
二、晶体缺陷对材料性能的影响晶体缺陷能够影响材料的力学、电学、热学等性能。
下面将介绍晶体缺陷对各种性能的影响机制：1.力学性能：晶体缺陷会影响材料的塑性、强度和韧性等机械性能。
在弹性形变的情况下，位错和其他线缺陷产生的内应力可以改变晶体的力学性质。
当材料受到应力时，点缺陷会导致晶体内部出现位移和形变。
靠近晶体表面的缺陷，比如晶界和表面缺陷，可以作为裂纹的萌芽点，从而引起材料的断裂。
2.电学性能：电学性能是指材料的导电性、电阻率等性质。
晶体缺陷可以对材料的电学性能产生显著影响。
二硫化钼（MoS2）是一种典型的半导体，在晶体中的点缺陷和线缺陷会导致其导电性变得更好或更差。
此外，晶体缺陷还可以影响材料的光谱特性、介电常数和色散等方面的性质。
3.热学性能：晶体缺陷还可以影响材料的热学性能，如热容量、导热性等。
点缺陷和线缺陷可以改变晶体的热传导和物理吸收特性。
点缺陷
点缺陷也称为零维缺陷，其特征是在三 维空间的各个方向上尺寸都很小，尺寸范 围约为一个或几个原子尺寸，包括空位， 间隙原子，杂质或溶质原子。
点缺陷的形成
在晶体中，位于阵点结点上的原子并非是静止的，而 是以其平衡位置为中心作热振动。当某一原子具有足够大 的振动能而使振幅增大到一定限度时，就可以克服周围原 子对它的制约作用，跳离原来的位置，使其形成空结点， 称为空位。在一定条件下，晶体表面上的原子也可以跑到 晶体的间
金属材料工程 刘登斌 10060114
任何东西都不可能完美，或多或少都有缺陷比 如我们的学习，我们之所以在这个学校上学，是 因为我们的一门课有明显的“缺陷”。如果这 “缺陷”不明显，或许我们就到“坡上”了，当 然“坡上”的也有缺陷。我们还有很多的缺陷， 更何况那些材料呢？ 所以今天我给大家介绍材料中晶体缺陷——点 缺陷。
离开平衡外置的原子有三个去处：一迁移到 晶体表面或内表面的正常结点位置是，而使晶体 内部留下空位，称为肖特基缺陷；二挤入点阵的 间隙位置，而在晶体上同时形成数目相等的空位 和间隙原子，则称为弗仑克尔缺陷；三是跑到其 他空位，使空位消失或空位移动。
晶体中的缺陷还可以通过高温淬火、冷变形 加工和高能粒子的辐射效应等形成。这时候往往 晶体中点缺陷数量超过其平衡浓度，通常称为饱 和的点缺陷。
最后送大家一句话：“昨天我们为我们 的‘缺陷’付出了很多；今天我们要用 ‘四把火’改变我们的‘缺陷’；明天我 们要骄傲的说‘我们不比曾经的他们差’。
最后的最后大家对我这几分钟的介绍 有什么意见或建议，请在新浪微博@简单冰 雨留言或发送电子邮件到 721880069@。
点缺陷的平衡浓度公式的推导不再详细介 绍。 平衡浓度公式：C’=n’/N’=A’exp（-E’v/kT). 平衡浓度公式说明： N’为晶体中间隙位置 总数， n’为间隙原子数，E’v为一个间隙原 子所需的能力。A’为平衡浓度常数。
晶体中的缺陷与性质
晶体中的缺陷与性质晶体是由原子、离子或分子有序排列形成的固体，晶体的缺陷是指晶体中的部分或全部原子、离子或分子的有序排列存在错位、缺失或杂质等异常状态。
晶体中的缺陷与性质密切相关，本文将就此展开阐述。
一、晶体缺陷分类晶体的缺陷可以分为点、线和面缺陷，其中点缺陷包括点阴阳离子空位、氧空位和间隙原子等；线缺陷包括错位、螺旋间隙和脆性断口等；面缺陷包括晶界、堆垛层错和晶面缺陷等。
二、晶体缺陷对性质的影响1.点缺陷对性质的影响一般来说，点缺陷在晶体中的浓度较高，因此其影响较为显著。
点缺陷可以影响晶体的形态、颜色和透明度，同时还能影响晶体的导电性、热性质和光学性质等。
以点阴阳离子空位为例，空位浓度较高时会导致导电性的改变，从而影响晶体的热性质；而空位的存在也可导致铁氧体等材料的磁性发生变化，进而影响材料的磁学性质。
2.线缺陷对性质的影响线缺陷的影响主要集中在材料的机械性质和热性质两方面。
以错位为例，当晶体中存在较多的错位时，会导致材料的韧性降低，从而影响其机械强度；而错位也可影响热传导，从而影响材料的热扩散性质。
3.面缺陷对性质的影响面缺陷是晶体中最为丰富的缺陷类型，它们可以影响晶体的形态、结晶质量和稳定性等多方面的性质。
以晶界为例，晶界处的原子排列并不规则，容易导致原子的扩散和聚集，从而影响材料的物理化学性质。
三、晶体缺陷的形成原因晶体缺陷的形成有多种原因，包括材料制备过程中的化学反应、熔融或液相晶体生长等。
在晶体生长过程中，如果晶体内部气体含量过高，就会导致原子排列异常，从而形成晶体缺陷。
此外，材料的加工过程也是晶体缺陷形成的重要原因之一。
材料在加工过程中受到的应力或温度变化等因素都会导致晶体的排列异常，从而形成不同类型的缺陷。
四、缺陷工程学缺陷工程学是一门利用缺陷控制和设计方法来提高材料性质的学科。
通过合理的材料加工过程和晶体生长控制，可以有效地减少缺陷浓度，从而提高材料的性能。
在缺陷工程学中，常用的方法包括补偿掺杂、退火处理、材料再结晶等。
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。
铸造合金中的晶格缺陷及其对性能的影响
铸造合金中的晶格缺陷及其对性能的影响铸造合金是一种重要的材料，广泛应用于制造业中。
然而，在铸造过程中，晶格缺陷往往会出现，对材料的性能产生重要影响。
本文将探讨铸造合金中晶格缺陷的种类以及这些缺陷对材料性能的影响。
一、晶格缺陷的种类1. 点缺陷：点缺陷是指晶格中某些原子的位置不正常。
常见的点缺陷有晶格空位、替代原子和间隙原子。
晶格空位是指晶格中原子缺失的位置，会导致晶格的松弛和原子间距的改变。
替代原子是指在晶格中存在与晶体原子不同的原子，这种缺陷也会改变晶格的结构和性能。
间隙原子是指在晶格中存在额外的原子，这些原子通常会使晶格变得更加致密。
2. 线缺陷：线缺陷是指在晶体中存在间断的晶格原子排列。
最常见的线缺陷是晶体边界，即晶体内部不同晶粒的交界处。
晶体边界会影响材料的机械性能和导电性能。
此外，晶体内的位错线也是一种线缺陷，这些位错线会对晶体的强度和塑性产生重要影响。
3. 面缺陷：面缺陷是指晶体中存在的非理想的晶面。
晶体中的晶面可能会出现扭曲、凸起或凹陷等问题。
这些面缺陷会影响材料的表面性能，例如耐腐蚀性和光学性能。
二、晶格缺陷对性能的影响1. 机械性能：晶格缺陷会导致晶体内部的应力集中，从而影响材料的强度和塑性。
晶体边界和位错线是应力集中的主要来源，它们会削弱材料的结构。
此外，晶格缺陷还会影响材料的断裂韧性和疲劳寿命。
2. 导电性能：晶格缺陷会影响材料的导电性能。
晶格中存在的点缺陷可以改变电子的能带结构和电子迁移率。
例如，替代原子可以引入杂质能级，影响电子的导电行为。
晶格缺陷还会影响电子和离子的迁移速率，从而改变材料的电导率。
3. 光学性能：晶格缺陷对材料的光学性能也有显著影响。
晶格中的面缺陷可以散射光线，影响材料的透明度和折射率。
此外，晶格缺陷还可以影响材料的光吸收和发射特性，对光电器件的性能产生重要影响。
4. 热稳定性：晶格缺陷还会影响材料的热稳定性。
点缺陷和线缺陷在高温下容易发生变化，导致晶体结构的相变和晶格的失稳。
晶体结构中的点缺陷及其对材料性能的影响
晶体结构中的点缺陷及其对材料性能的影响晶体是由原子或离子有序排列形成的固体材料。
在晶体结构中，点缺陷是一种常见的现象，它们对材料的物理和化学性质产生重要影响。
本文将探讨晶体结构中的点缺陷类型、形成原因以及对材料性能的影响。
晶体结构中的点缺陷可以分为两类：点陷和点间隙。
点陷是指晶体中存在于正常原子位置的替代物质或空位，而点间隙是指晶体中存在于正常间隙位置的其他原子或离子。
这些点缺陷的形成原因多种多样，可以是热运动、化学反应、辐射等外部因素的影响，也可以是由于材料的缺陷或不均匀性引起的。
例如，晶体中的离位原子可以通过热扰动从正常位置移动到别的位置，形成点陷；而晶体中的离位原子可以通过化学反应与其他原子或离子结合，形成点间隙。
点缺陷对材料性能的影响是多方面的。
首先，点缺陷可以改变材料的电子和磁性质。
以半导体材料为例，点陷在晶格中引入杂质原子，改变了材料的导电特性。
某些点缺陷也可以改变晶体的磁性质，使材料成为磁性材料。
其次，点缺陷可以影响晶体的力学性能。
晶体中的点缺陷可以导致材料的塑性变形，使其更易于发生变形或破裂。
点缺陷还可以改变材料的硬度、弹性模量等力学性质。
此外，点缺陷还可以影响材料的热性能。
晶体中的点缺陷可以影响材料的热导率和热膨胀系数，从而改变材料的热稳定性和导热性能。
点缺陷的类型和浓度对材料性能的影响是复杂的。
在某些情况下，点缺陷的存在可以改善材料的性能。
例如，通过控制点陷的添加量和类型，可以提高材料的导电性能。
在半导体材料中，适量的杂质原子可以形成能带结构，增加载流子浓度，从而提高材料的导电性能。
此外，点缺陷也可以增加材料的缺陷耐力，改善材料的抗拉强度和韧性。
然而，过量的点缺陷或不适当的类型可能导致材料性能的恶化。
过多的点陷会导致材料的电导率降低，抗拉强度和硬度下降。
过多的点间隙会导致材料内部空隙增多，从而降低材料的密度和强度。
综上所述，晶体结构中的点缺陷是一种常见的现象，对材料的物理和化学性质产生重要影响。
金属材料的晶格缺陷及其对性能的影响研究
金属材料的晶格缺陷及其对性能的影响研究金属材料是我们生活中离不开的一种材料，具有良好的导电性、导热性、延展性、可塑性和强度等优良特性，因此被广泛应用于制造业、建筑业、能源产业、航空航天等领域中。
但是，金属材料在使用过程中存在着晶格缺陷，这些缺陷会影响其性能和使用寿命。
本文就金属材料的晶格缺陷及其对性能的影响进行探讨。
一、晶格缺陷的概念晶体是由原子、离子或分子的周期排列构成的，它具有完美的结晶性和有序性。
但是，在晶体的生长、加工、热处理等过程中，会形成各种缺陷。
晶格缺陷是指晶体中的原子位置发生了变化而导致的缺陷。
晶格缺陷主要包括点缺陷、面缺陷和体缺陷三种。
其中，最常见的是点缺陷，即晶体中某个原子没了或多了一个，包括晶格空位、间隙原子、替位原子、杂质原子等。
二、晶格缺陷对金属材料性能的影响晶格缺陷既可能改善金属的性能，也可能破坏其性能，具体表现如下：1. 强度晶格缺陷对金属材料的强度会产生影响。
例如，错位位错材料具有较高的强度，因为它们的原子排列更紧密，形成了劳厄位错区域，阻碍了位错的运动。
然而，过多的位错会导致晶体变脆，强度降低。
此外，晶格缺陷还会增加材料内部应力，并在位错滑移过程中产生新的位错，进而损伤材料。
2. 塑性晶格缺陷对金属材料的塑性也会产生影响。
晶体中的空位、替位原子和杂质原子等缺陷可以增强材料的塑性。
原子替位可使材料的晶格畸变，增强位错的滑移，提高材料的塑性。
但是，空位、杂质原子和间隙原子等缺陷会阻碍位错的滑移，降低材料的塑性。
3. 热稳定性晶格缺陷会降低金属材料的热稳定性。
晶格缺陷会使晶界、位错和相界的能量降低，从而促进缺陷的形成和蔓延，影响材料的结构和性能。
特别是在高温条件下，缺陷会更加明显，因此材料的热稳定性会下降。
4. 电性能晶格缺陷对金属材料的电性能也会产生影响。
空位和间隙原子等缺陷可形成导电空穴，提高材料的导电性能。
替位原子和杂质原子等缺陷则会改变材料的导电性能，使之成为n型或p型半导体。
晶体结构与材料导电性质的关联研究
晶体结构与材料导电性质的关联研究导电性质是材料科学中一个重要的研究方向，通过研究材料的导电性质，可以揭示材料的内在性质以及可能的应用价值。
在导电性质的研究中，晶体结构起着至关重要的作用。
晶体结构是材料内部原子的排列方式，不同的晶体结构会导致材料具有不同的电导率。
本文将探讨晶体结构与材料导电性质的关联。
首先，我们需要了解晶体的基本结构。
晶体是一种具有周期性排列的固体材料，其内部原子或分子呈现高度有序的排列方式。
晶体结构可以由晶胞和晶格来描述。
晶胞是晶体的基本单位，它是由若干个原胞组成的。
原胞则是晶胞中最小的可重复结构，通常是一个或多个原子及其周围的电子。
晶格则是指晶体中所有晶胞的集合。
晶格的对称性决定了晶体的宏观性质，包括导电性质。
晶体结构对材料的导电性质有着直接的影响。
在晶格中，原子或分子通过离子键、共价键或金属键相连，形成电子的导电路径。
晶格的对称性决定了这些电子路径的有效性和连通性，进而影响材料的导电性质。
例如，金属材料常常具有良好的导电性能，这是由于金属晶格中的自由电子能够自由流动。
而对于离子晶体，由于离子间存在强烈的静电作用力，电子难以在离子晶格中自由传导，因此离子晶体一般具有较低的导电性能。
此外，晶体结构中存在的缺陷也对导电性质产生影响。
晶格缺陷是指晶格中的位置发生了改变，如原子空位、杂质原子等。
这些缺陷可以导致电子的局域化和散射，从而改变材料的导电性能。
例如，掺杂某些杂质原子可以改变半导体材料的导电性质，从使其从绝缘体变为导体。
这是因为杂质原子引入了额外的能级，改变了电子在晶格中的能带结构。
除了晶格结构和缺陷对导电性质的影响外，温度也是一个重要的因素。
温度对晶格结构的稳定性产生影响，进而影响材料的导电性质。
随着温度的升高，晶格结构会发生变化，原子的振动幅度会增大。
这些变化会影响到电子的运动，从而改变材料的导电性质。
一些材料在较低温度下可能表现出绝缘体特性，而在高温下则变为导体。
综上所述，晶体结构与材料导电性质之间存在密切的关联。
缺陷的分类：根据维度分类点缺陷：离子晶体中的点缺陷
缺陷的分类：根据维度分类
0维：点缺陷
1维：线缺陷
2维：面缺陷
3维：体缺陷
点缺陷：
-晶格规则排列的局部的中断
-在晶格格点上或之间。
1、取代杂质
-占据正常格位
-掺杂剂，如半导体Si中掺杂的P，金刚石中的杂质B
-合金元素，如铝（Al）中的镁（Mg），或者金（Au）中的镍（Ni）-杂质，NaCl中的Li+
2、填隙杂质
-占据格点之间的位置
-合金元素，如铁中的C元素，LaNi5中的H元素
-杂质，如铁中的H元素
3、空位
-未占据的晶格格点
-结晶过程形成
-在极端条件下应用过程中形成
离子晶体中的点缺陷
-特别强调，要求维持电荷中性
1、肖特基点缺陷
-由等量（非必须相等）的阳离子空位和阴离子空位构成
2、弗伦克尔点缺陷
-由一个离子空位和离子填隙构成
3、F心
-由一个离子空位和一个被束缚的电子形成。
离子晶体中的点缺陷
§12-5离子晶体中的点缺陷及 离子性导电
这节内容包括两方面：
(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
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。
材料的缺陷
2.4 柏氏矢量的特性
如果规定 了位错线的正向,并按y 右螺旋法则确定回路方向,只要不和位错线 相遇,不论位回路怎样扩大、缩小或任意移 动,由此定出的柏氏矢量是唯一的，此即位 错的柏氏矢量的守恒性。
推论：
1. 若一个柏氏矢量为b的位错一端分支形 成柏氏矢量为b1、b2、…、bn的n个位错,则 其中各个矢量的和恒等于原位错的柏氏矢 量,即
位错的攀移
位错的攀移指在热缺陷或外力作用下，位错线在垂直其 滑移面方向上的运动，结果导致晶体中空位或间隙质点的增 殖或减少。刃位错除了滑移外，还可进行位错没有 多余半原子面，故无攀移运动。
常温下位错靠热激活来攀移是很困难的。但是，在许多 高温过程如蠕变、回复、单晶拉制中，攀移却起着重要作用。 位错攀移在低温下是难以进行的，只有在高温下才可能发生。
)/T
超离子导体： 绝大多数离子晶体的离子电导率随温度变 化很高，室温下通常是绝缘体，然而也存在一些离子导电 材料，其扩散激活能非常低，即使在室温下也具有较高的 电导率，这类离子晶体称为超离子导电材料。
导致超离子导电性的材料结构无序大致可以分为两类：
a. 某一组元的亚点阵存在结构无序,包含大量可被占据而 未占据的位置,晶体内的离子可以在这些位置间较自由的 移动.
n
b bi i 1
2.一条位错线只有一 个柏氏矢量。
3. 一根位错线不能 终止在晶体内部, 只能终止于晶体表 面或晶界;若终止 在晶体内部,它必 须自成封闭的位错 环或者和其他位错 线相连接形成位错 网络.
4.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柏氏矢量之和，必然等于离开 节点的各位错的柏氏矢量之和, 或柏氏矢量之和为零, 即
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。
材料物理化学-第四章 晶体的点缺陷与线缺陷
第四章晶体结构缺陷晶体缺陷的产生与晶体的生长条件，晶体中原子的热运动以及对晶体的加工工艺等有关。
事实上，任何晶体即使在绝对零度都含有缺陷，自然界中理想晶体是不存在的。
既然存在着对称性的缺陷，平移操作不能复制全部格点，那么空间点阵的概念似乎不能用到含有缺陷的晶体中，亦即晶体理论的基石不再牢固。
但缺陷的存在只是晶体中局部的破坏。
作为一种统计，一种近似，一种几何模型，缺陷存在的比例毕竟只是一个很小的量(这指的是通常的情况），从占有原子百分数来说，晶体中的缺陷在数量上是微不足道的。
因此，整体上看，可以认为一般晶体是近乎完整的。
因而对于实际晶体中存在的缺陷可以用确切的几何图形来描述，这一点非常重要。
它是我们今后讨论缺陷形态的基本出发点。
事实上，把晶体看成近乎完整的并不是一种凭空的假设，大量的实验事实（X射线及电子衍射实验提供了足够的实验证据）都支持这种近乎理想的对称性。
当然不能否认，当缺陷比例过高以致于这种“完整性”无论从实验或从理论上都不复存在时，此时的固体便不能用空间点阵来描述，也不能被称之为晶体。
这便是材料中的另一大类别：非晶态固体。
对非晶固体和晶体，无论在原子结构理论上或是材料学家对它们完美性追求的哲学思想上都存在着很大差异，有兴趣的同学可以对此作进一步的理解。
缺陷是晶体理论中最重要的内容之一。
晶体的生长、性能以及加工等无一不与缺陷紧密相关。
因为正是这千分之一、万分之一的缺陷，对晶体的性能产生了不容小视的作用。
这种影响无论在微观或宏观上都具有相当的重要性。
4.1热力学平衡态点缺陷4.1.1 热缺陷的基本类型点缺陷形成的热力学平衡当晶体的温度高于绝对零度时，晶格内原子吸收能量，在其平衡位置附近温度越高，热振动幅度加大，原子的平均动能随之增加。
热振动的原子在某一瞬间可以获得较大的能量，挣脱周围质点的作用，离开平衡位置，进入到晶格内的其它位置，而在原来的平衡格点位置上留下空位。
这种由于晶体内部质点热运动而形成的缺陷称为热缺陷。
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
7.4离子晶体的点缺陷及导电性
i 1
假定各热缺陷的运动是独立的，我们先考虑一个A+填隙离
子在外电场作用下的运动情况。
当没有外力存在时，填隙离子沿图（a）中虚线运动，它 在各个位置上的势能是对称的，填隙离子越过势垒向左或向右 运动的概率是一样的。P 02eE2 / kBT 即运动是布朗运动。
当沿x方向加电场ε时，一个正的填隙离子将在原来的离子
P净 P右 P左
[ ] e e ( E2qa/ 2)/ kBT 02
( E2 q a / 2 )/ kBT
于是向右漂移的速度为
[ ] v a e e (E2q a/2)/kBT (E2q a/2)/kBT
dHale Waihona Puke 02一般情况下，电场不很强， q a 2kBT
上式可化为
vd
q a2 02
kBT
第四节 离子晶体的点缺陷及导电性
本节主要内容： 7.4.1 离子晶体的点缺陷 7.4.2 离子晶体的导电性
§7.4 离子晶体的点缺陷及导电性
7.4.1 离子晶体的点缺陷
负填隙离子
本节我们讨论热缺陷在 外力作用下的运动。对于离 子晶体而言，离子导电性就 是由于热缺陷在外电场作用 下的运动引起的。
在此，我们只讨论典型的 A+B-离子晶体，如图所示。
T外，还应注意填隙离子数n也随温度有类似的指数变化关系。
+ -+
- +-
+
- -+
+-
+ -+
对弗仑克尔缺陷则含有 相同数目的正、负离子空位 和正、负填隙离子。
正填隙离子
负空格点
离子晶体中的缺陷
7.4.2 离子晶体的导电性
(a)填隙离子沿虚线运动； (b)无外场； (c)有外电场ε。 在没有外电场时，这些缺陷
为什么离子晶体会导电性差
为什么离子晶体会导电性差
离子晶体为何导电性较差？
离子晶体是半导体材料的一种，在现代科技中有广泛的应用，
例如电子、光电子、能源以及催化等领域。
然而，与传统的金属
电导体相比，离子晶体的导电性较差。
这是由于以下几个原因：
1.离子晶体的结构
离子晶体的结构通常由正离子和负离子构成的网格结构组成。
每个离子周围都有一定的电场，使它们相互吸引并保持在特定的
位置上。
这种结构导致电子无法自由移动，从而限制了电子的传输。
当外界电场作用在离子晶体上时，离子晶体中的离子将偏离
它们的平衡位置，但它们不会像金属中的自由电子一样自由移动。
相反，它们以局部震动的形式迅速回到平衡位置上。
2.离子晶体中的空缺和杂质
离子晶体中由于化学键断裂或其他原因产生的空缺或杂质素影
响了电子的传输。
这是因为在这些缺陷处，晶体中的电子被束缚
在缺陷附近并不能自由传输，从而影响了导电性。
3.离子晶体的化学稳定性
离子晶体通常具有高的化学稳定性，可用于高温和高真空环境。
但这种稳定性也意味着离子晶体中的化学键非常稳定，因此需要
高的能量激发才能打破它们。
这也影响了离子晶体的导电性。
综上所述，虽然离子晶体具有许多有用的特性，但它们的导电
性较差。
但是，研究者正在通过材料设计以及对离子晶体中的不
同缺陷和杂质如何影响电导性的研究，探寻离子晶体导电性的提
高方法。
在未来，离子晶体可能会成为许多新型电子器件的基础。
离子晶体的点缺陷及其导电性
添加标题
离子导体的应用前景：随着科技的发展，离子晶体导电性 的应用领域将不断扩大，如能源、环保、生物医学等领域 的应用前景广阔。
添加标题
离子导体的局限性：虽然离子晶体导电性具有广泛的应用 前景，但由于其导电机制和晶体结构的复杂性，仍存在一 些技术难题和挑战需要解决。
04
离子晶体点缺陷与导电性的关系
点缺陷可以改变离子晶体 的光学性质
点缺陷会影响离子晶体的 热稳定性
离子晶体中点缺陷的存在 会影响其导电性
点缺陷会影响离子晶体的 机械性质
03
离子晶体的导电性
离子晶体的导电机制
离子晶体的导电性是由离子在晶体中的迁移所引起的。 离子迁移主要通过空位机制、替位机制和间隙机制进行。 空位机制是指晶体中的空位吸引周围的离子进入空位位置，从而形成离子的迁移。 替位机制是指一个离子替代另一个离子的位置，从而形成离子的迁移。
点缺陷对离子晶体导电性的影响
离子晶体中的点缺陷类型 点缺陷对离子晶体导电性的影响机制 点缺陷对离子晶体导电性的实验研究 点缺陷对离子晶体导电性的实际应用
离子晶体导电性的影响因素
离子迁移率：离子 在晶体中的移动速 度，影响导电性能
电导率：表示电导 能力的大小，与离 子迁移率成正比
缺陷类型：点缺陷、 线缺陷和面缺陷等 对导电性的影响
行表征
实验目的：研 究点缺陷对离 子晶体导电性
的影响
实验结果：通 过数据分析， 揭示点缺陷与 离子晶体导电 性之间的关联
导电性的测量与评估
测量方法：采用电导率测试仪进行测量 评估标准：根据电导率的大小判断离子晶体导电性的好坏 实验条件：保持恒温恒湿，避免外界干扰
实验结果：记录不同离子晶体在不同条件下的电导率数据，进行对比分析
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
（6.3.6）
对于既可作扩散运动又可在外电场下作“漂移”运动的带电粒子，
只要忽略它们之间的相互作用，爱因斯坦关系就都成立。
若 nI为正填隙离子的平衡浓度，则这种迁移机构
对电流密度的贡献为
jI nIevI
nIe kBT
v0 I a 2 e EI
(kBT )
（6.3.7） （6.3.8）
av0IeEI kBT 2sinh
ea
2kBT
(6.3.4)
在弱电场下，即 ea 2kB。T 在室温下，由于
kBT 1 40eV , a 1010 m ，因此室温下 108eV / m都认为是
弱电场。此时有sin ea / 2kBT ea / 2kBT ，所以式
P v e( EI ea 2) (kBT )
左
0I
(6.3.2)
P v e( EI ea 2) (kBT )
右
0I
(6.3.3)
向左、向右的跳跃几率实际上可以认为是单位时间向
左、向右所跳动的步数。由于每次跳动的距离是a ，
所以单位时间填隙离子平均沿电场移动的距离，即平
均速率为
vI a(P左 P右 ) av0I e(EI ea 2) (kBT ) e(EI ea 2) (kBT )
式（6.3.7）是离子导电的欧姆定律， 是导电率。由
平衡浓度与温度的关系式
nI NeuI (kBT )
可知，电导率
e2 kBT
Na v e 2
(uI EI )
I 0I
(kBT )
将以指数形式随温度升高而迅速变大。
（6.3.9）
若同时考虑4种缺陷的运动，则电流密度便为4种缺 陷迁移机构贡献之和
综上所述，离子晶体的导电现象是由带电点缺陷 在外电场作用下运动产生的。为了导出电导率与温度
的关系，先考虑一个正的填隙离子在沿 x方向的电场
作用下的运动情况
在无外电场时， 0 ，带
电点缺陷处于对称的势阱
中，如图6.3.2（a）所示。
点缺陷在热涨落作用下向
左或向右的跳跃几率是相
同的，即是无规则的布朗
之间有很宽的禁带，热激发几乎不可能把电子由满价
带激发到空带上去。但实际上离子晶体都有一定的导
电性，其电阻明显的依赖于温度和晶体的纯度。因为
温度升高和掺杂都可能在晶体中产生缺陷，所以可以
断定离子晶体的导电性与缺陷有关。实验发现，当离
子晶体中有电流通过时，会在电极上沉淀出相应离子
的原子，这说明载流是正、负离子。另外，如前所述，
在 含量越C大Na晶，aC体l 中掺空入位的数NC目a后aC也，l2就可越产多生。实验N离发a子现空，位室，
温下 晶体的导N电a率Cl与杂质
的浓度成C正a比 。
这些实验事实都直接证实了离子晶体是借助缺陷运动
而导电的。
从能带理论可以这样理解离子晶体的导电性：离 子晶体中带电的点缺陷可以是束缚电子或空穴，形成 一种不同于布洛赫波的局域态。这种局域态的能级处 于满带和空带的能隙中，且离空带的带底或者满带的 带顶较近，从而可能通过热激发向空带提供电子或接 受满带电子，使离子晶体表现出类似于半导体的导电 性。
（6.3.4）为
vI
a 2v0 I e
1 kBT
e EI
(kBT )
I
（6.3.5）
式中
I
a2v0Ie eEI kBT
(kBT )
称为离子迁移率，与填隙离子扩散系数
DI
1 6
a 2v0 I e EI
(kBT )
比较，可得 I与DI 的关系——爱因斯坦关系
I
6eDI kBT
6.3 离子晶体的点缺陷及其导电性
由于离子晶体是由正负离子在库仑力的作用下结合 而成的，因而使离子晶体中的缺陷带有一定的电荷， 这就是引起离子晶体的点缺陷具有一般点缺陷所没有 的特性。因此有必要对其进行单独讨论。
6.3.1 离子晶体中的点缺陷
离子晶体的结构特点是：正、负离子相间排列在 格点上，每一个离子均被配位数相等的异号离子所包 围。无论是形成正、负离子空位，还是形成正、负填 隙离子，都会在缺陷处形成正的或负的带电中心。显 然，A B型离子晶体中共有4种带电的本征缺陷，成为 正电中心的点缺陷有负离子空位和正填隙离子，而带 负电的有正离子空位和负填隙离子，如图6.3-1所示。
由于整个晶体保持电中性，这就限定在离子晶体中， 对肖脱基缺陷应有数目相同的正、负离子空位，而对 夫伦克尔缺陷，则应有数目相同的正离子空位和正填 隙原子，以及数目相同的负离子空位和负填隙离子。
图6.3.1 离子晶体中的缺陷
类似于6.1节的讨论，平衡时离子晶体中某种点缺陷的数目
nSP n n NeuSP /(2kBT )
j
4 i1
ji
1 kBT
ei2 Nai2v0Ie(ui Ei )
(
kBT
)
i
（6.3.10）
其电导率也为4种缺陷的贡献之和
4
i 1
1 i kBT
Ne a v e 2 2
(ui Ei ) (kBT )
(6.3.1)
式对中肖，脱u基S缺P代陷表，产u生SP一就对代电表荷产相生反一的对点分缺离陷的所正需、要负的离能子量空。位如所
需要的能量。
一般说来，离子晶体中的负离子的半径比正离子的半径大，
所以负填隙离子比正填隙离子难以形成。
离子晶体中的点缺陷除了本征热缺陷外，还可能存在替位
式杂质和填隙式杂质缺陷，它们一般也是带电中心。例如，
将CaCl2掺入到 NaCl晶体中，Ca将替代Na 占据格点位置，
但由于两者的电荷不同，替位的 C便a成++为一个正电中心。为
了保持晶体的电中性，必定同时产生一个正离子空位。这可以
由掺入
后C，aCl2 晶N体a的Cl密度降低得到证实。
6.3.2 离子晶体的导电性
理想的离子晶体是典型的绝缘体，满价带与空带
运动，不产生宏观电流。
当沿着 方向x 存在一电场
时，晶格中的势场是为电
势场与晶格势场之
图6.3.2
和。若取间隙位置为势能零点，间隙在 x 方向的距离
e 为 a ，正填隙离子的电荷为 ，则势阱左、右两边
的势垒高度分别为 EI ea /跳跃几率分别为