晶体缺陷1 点缺陷
晶格的缺陷
晶格的缺陷晶格的缺陷是指晶体结构中存在的各种不完美或异常的位置或排列。
这些缺陷对晶体的物理、化学性质以及材料的性能都会产生重要影响。
本文将从点缺陷、线缺陷和面缺陷三个方面，介绍晶格缺陷的种类、产生原因以及对材料性能的影响。
一、点缺陷1. 点缺陷是指晶体中原子或离子的位置发生变化或缺失。
常见的点缺陷有原子间隙、空位、间隙原子、杂质原子等。
2. 原子间隙是指晶体中存在的原子无法占据的空间，通常是由于晶格结构的不完美而形成。
原子间隙的存在会导致晶体的密度降低，同时对电子和热的传导产生影响。
3. 空位是指晶体中原子位置上缺失了一个原子。
空位会导致晶格的局部变形，降低晶体的机械强度和热稳定性。
4. 间隙原子是指晶体中存在的非晶体或空气中的原子进入了晶体中的间隙位置。
间隙原子的存在会改变晶体的电子结构和热导率。
5. 杂质原子是指晶体中存在的与晶格原子不同种类的原子。
杂质原子的加入会改变晶体的导电性、磁性以及光学性质。
二、线缺陷1. 线缺陷是指晶体结构中存在的一维缺陷，通常是晶体中原子排列发生错位或缺失。
2. 赝位错是指晶体中两个晶格面之间的原子排列发生错位，即晶体中的原子位置发生了偏移。
赝位错会导致晶体的机械强度下降，同时也会引起晶体的局部形变。
3. 堆垛错是指晶体中两个晶格面之间的原子排列发生缺失或添加。
堆垛错会导致晶体局部的结构畸变，进而影响晶体的热稳定性和电子传导性能。
4. 螺错是指晶体中原子排列沿晶体的某一方向发生了扭曲，形成了一种螺旋形的缺陷。
螺错会导致晶体的机械强度下降，同时也会引起晶体的局部形变。
三、面缺陷1. 面缺陷是指晶体结构中存在的二维缺陷，通常是晶格面的错位、缺失或添加。
2. 晶界是指晶体中两个晶粒之间的界面。
晶界是晶体中最常见的面缺陷，其形成原因包括晶体生长过程中的结晶不完全以及晶体在变形过程中的再结晶。
晶界会对晶体的力学性能、电学性能以及化学反应产生显著影响。
3. 双晶是指晶体中存在两个晶界的结构。
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。
晶体缺陷知识点
晶体缺陷知识点晶体缺陷是固体材料中晶格出现的非理想性质，通常由于外界因素或内部原子位置错配引起。
晶体缺陷可以对材料的性质和行为产生显著影响，因此对晶体缺陷的认识和理解对于材料科学和工程领域至关重要。
本文将主要介绍晶体缺陷的类别、产生原因以及对材料性能的影响等相关知识点。
一、点缺陷点缺陷是晶体中最常见的缺陷之一，它包括空位、附加原子和原子间隙等。
空位是晶体中原子缺失的位置，它可能由于热振动、离子辐照或经历一系列化学反应等因素而形成。
附加原子是晶体中多余的原子，它可以是来自杂质或外界加入的额外原子。
原子间隙是晶体中原子之间的间隙空间，它的存在会导致晶体结构的变形和变化。
二、线缺陷线缺陷是晶体中延伸成线状的缺陷，包括位错和螺旋排列。
位错是晶体中原子错位或排列不当导致的线性缺陷，它可以通过晶体的滑移和或扩散过程产生。
螺旋排列是沿晶体某个轴线方向发生的原子错位，在某些晶体材料中常见。
三、面缺陷面缺陷是晶体中存在的平面或界面缺陷，包括晶界、层错和孪晶等。
晶界是晶体中两个晶粒的交界面，它由于晶体生长或晶体结构不匹配引起。
层错是晶体中原子层次错位排列的缺陷，通常发生在层状晶体结构中。
孪晶是晶体中两个晶粒具有相同的晶格方向但是镜像对称的缺陷。
四、体缺陷体缺陷是晶体中三维空间内存在的缺陷，主要包括孔洞和包裹物。
孔洞是晶体中的空隙空间，可以影响晶体的密度和物理性质。
包裹物是晶体中包裹其他原子或分子的空间，它可以是点状、线状或面状。
晶体缺陷的产生原因多种多样，包括热力学因素、机械应力和外部影响等。
温度和压力的变化可以导致晶体中原子位置发生偏移或畸变，进而产生缺陷。
机械应力也可以引起晶体的位错和断裂等缺陷。
此外，电磁辐射、化学环境和放射性衰变等因素也会影响晶体的结构和缺陷形成。
晶体缺陷对材料的性能和行为产生重要影响。
例如，点缺陷的存在可以改变材料的电导率、热导率和光学性能。
线缺陷和面缺陷可以导致晶体的强度和塑性发生变化，并影响晶体的断裂行为。
晶体的点缺陷类型
晶体中的点缺陷包括以下类型：
1. 空位（Vacancy）：晶体中原本应该存在的原子位置上没有原子，称为空位。
空位可以通过电子缺陷或位错移动形成，它的晶格符号是V。
2. 间隙原子（Interstitial）：晶体中存在原子的位置上没有原子，而是存在一个额外的原子，称为间隙原子。
间隙原子可以通过原子扩散或晶体生长过程中的缺陷移动形成，它的晶格符号是I。
3. 置换原子（Substitution）：晶体中原本存在的原子被另一种原子替代，称为置换原子。
置换原子可以通过化学反应或高温高压下形成，它的晶格符号是X。
4. 原子缺失（Missing atom）：晶体中原本存在的原子缺失，形成一个空位，称为原子缺失。
原子缺失可以通过缺陷迁移、缺陷产生和晶体生长过程中的缺陷形成，它的晶格符号是V。
5. 缺陷线（Dislocation）：晶体中原本存在的原子排列被破坏，形成一条线状的缺陷，称为缺陷线。
缺陷线可以通过晶体生长、外力作用和高温高压等因素形成，它的晶格符号是D。
6. 位错（Dislocation）：晶体中原本存在的原子排列被扭曲，形成一条线状的缺陷，称为位错。
位错可以通过外力作用和晶体生长过程中的缺陷形成，它的晶格符号是D。
7. 扭曲（Twist）：晶体中原本存在的原子排列被扭曲，形成一条线状的缺陷，称为扭曲。
扭曲可以通过外力作用和晶体生长过程中的缺陷形成，它的晶格符号是T。
8. 晶界（Grain Boundary）：晶体中两个或多个晶粒的交界面，称为晶界。
晶界可以通过晶体生长过程中的缺陷形成，它的晶格符号是GB。
纯金属中的点缺陷类型
纯金属中的点缺陷类型
纯金属中的点缺陷是指金属晶体中存在的微小缺陷点，以下是几种常见的点缺陷类
型：
1. 点缺陷：金属晶格中原子位置发生偏移或原子缺失，形成点状缺陷，如空位缺陷
和插入原子缺陷。
2. 金属晶粒边界：金属中晶体生长过程中，相邻晶粒的接触面称为晶粒边界。
晶粒
边界是一种点缺陷，常常会导致材料的力学性能下降。
3. 氧化物夹杂物：在金属晶格中存在的氧化物微粒被称为氧化物夹杂物，它们是金
属中的一种点缺陷。
氧化物夹杂物对金属的机械性能和腐蚀性能有较大影响。
4. 可溶性杂质：金属中的微量杂质元素以原子形式溶解在金属晶格中，形成点缺陷。
这些杂质元素可以改变金属的晶格结构、力学性能和化学性质。
5. 偏聚集缺陷：金属晶体中存在的高浓度缺陷点，如位错、孪晶、蝇落粒等，都属
于偏聚集缺陷。
这些缺陷在材料加工和应力加载过程中容易形成断裂。
虽然这里提到的缺陷类型不能出现真实名字和引用，但这些点缺陷在纯金属中普遍存在，对材料的性能产生重要影响。
科学家和工程师们在研究金属材料时通常需要了解和控
制这些缺陷，以提高金属的性能和可靠性。
Chapter 3-1 晶体缺陷-点缺陷、位错
杂质（异类）原子
定义： 任何纯金属中都或多或少会存在杂质, 即其它
元素, 这些原子称杂质（异类）原子
热缺陷： 热起伏促使原子脱离点阵位置而形成的点缺陷。 热缺陷的两种基本形式
弗伦克尔缺陷
肖特基缺陷
热缺陷示意图
弗兰克尔缺陷
肖特基缺陷
化合物离子晶体中的两种点缺陷
金属晶体：弗兰克尔缺陷比肖特基缺陷少得多 离子晶体：结构配位数低-弗兰克尔缺陷较常见
ρ理论
=
n理论 NA
V
M
=
4 6.022 1023
26.98
4.049 10-8 3
g
cm 3 = 2. 6997g
cm 3
空位数 cm3
ρ ρ theoretical
observed
NA
M 4.620 10 20 cm 3 Al
例5 MgO晶体的肖特基缺陷生成能为84KJ/mol，计算该晶体 1000K和1500K的缺陷浓度
平移对称性的示意图
平移对称性的破坏
②分类
点缺陷（零维缺陷）--原子尺度的偏离.
按
例：空位、间隙原子、杂质原子等
缺
陷 线缺陷（一维缺陷）--原子行列的偏离.
的
例：位错等
几 何
面缺陷（二维缺陷）--表面、界面处原子排列混乱.
形
例：表面、晶界、堆积层错、镶嵌结构等
态 体缺陷（三维缺陷）--局部的三维空间偏离理想晶体的周期性
CV ,1000
n N
exp( ΔGS RT
)
exp(
84000 8.3145 1000
) 4.096 10-5
CV ,1500
n N
ρ
( 单位晶胞原子数n )( 55.847g / mol ) ( 2.866 108 cm )3 ( 6.02 1023 / mol )
第一章 晶体中的点缺陷课件
N!
lnln N!
(N n)!n!
(Nn)!n!
由stirling(斯特林)公式，当x很大时，ln x!xln xx
则：S 0 K [ N l n N ( N n ) l n ( N n ) n l n n ]
第一章 晶体中的点缺陷
F = n u f K T [ N l n N ( N n ) l n ( N n ) n l n n ] n T S f
一.自由电子能量的变化
1.势能的变化： E 1
E f — 系统的弗米能
2 3
Ef
Ef
h2
(3Ne
2
)3
8m V
弗米能:①在T时，能量为E的质点出现几率为1 2 的能量 。 ②反映系统的总能量在组成质点之间的分配情况。
第一章 晶体中的点缺陷
2.动能的变化：
2 E2 5 Ef
二.不同点缺陷的形成能
● 对大多数简单晶体,单空位形成能
uE 1E 22 3E F5 2E F1 4 5E F
● 在Tm附近,热平衡空位和间隙原子最大浓度分布为 10－4～10－8数量级。
第一章 晶体中的点缺陷
§1.4 点缺陷的运动
（一）空位的迁移
空位的迁移、间隙原子迁移能—原子扩散激活能
空位迁移的几率:
Sm Em
jZe Ke KT
第一章 晶体中的点缺陷
2.pearson符号
cF－用一个小写字母＋大字母表示。 c－晶系第一个英文字母的字头
三斜：Triclinic <Anorthic>, 单斜：Monoclinc， 正交（斜方）：Orthogonal， 四方（正方）：Tetragonal， 立方：Cubic， 六方：Hexagonal， 菱形：Rhombohedral）
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。
晶体中的点缺陷和面缺陷
形成机制的比较
点缺陷的形成
点缺陷是由于晶体中原子或分子的缺 失或添加而产生的，通常是由于热力 学不稳定性和扩散过程引起的。
面缺陷的形成
面缺陷是由于晶体表面上的原子排列 不规整而形成的，通常是由于晶体生 长或加工过程中表面能的变化引起的 。
对晶体性质影响的比较
点缺陷对晶体性质的影响
性能改进提供指导。
结合实验和计算模拟方法，深入 研究点缺陷和面缺陷在材料中的 实际作用，揭示其在材料科学和 工程领域中的潜在应用价值。
THANKS
感谢观看
点缺陷和面缺陷可以作为杂质或掺杂剂的载体，对材料的物理和化学性质进行调控， 从而在材料科学和工程领域具有广泛的应用前景。
对未来研究的展望
深入研究点缺陷和面缺陷的形成 机制和演化规律，探索其在不同 条件下的行为和相互作用，为材 料性能的优化提供理论支持。
探索点缺陷和面缺陷对材料性能 的影响规律，建立缺陷与性能之 间的关联，为新型材料的开发和
间隙原子
在晶格结构中，某些原子不在正常的 格点位置上，而是处于晶格间隙中。 间隙原子的存在会导致晶格畸变，影 响材料的力学、电学和热学性能。
面缺陷实例
晶界
晶体内部不同晶粒之间的界面称为晶界。晶界处的原子排列是不规则的，导致晶界能较高。晶界对材 料的力学、电学和热学性能有重要影响，尤其在高温和应力环境下。
表面重构
晶体表面为了降低表面能 而发生的原子重新排列， 导致表面原子与内部原子 不同步的现象。
面缺陷的形成机制
晶体生长过程中，由于温度、压力等 条件的变化，导致晶体内部原子或分 子的排列出现不连续，形成面缺陷。
外界因素如辐射、化学腐蚀等也会引 起晶体中面缺陷的形成。
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。
晶体结构缺陷 (一)点缺陷浓度的计算
知识点049. 点缺陷浓度的计算热缺陷浓度的计算：Ag Ag V Ag + Ag i- [V Ag] = [Ag i]= exp G-2RT热缺陷浓度的计算： Ag Ag V Ag + Ag i, . - [V Ag ] = [Ag i ] = exp G - 2RT. ,热缺陷浓度的计算：- [V Ag] = exp G-RT Ag Ag V Ag + Ag surface热缺陷浓度的计算： - [V Ag ] = [V Cl ] = exp G - 2RT . , AgCl V Ag + V Cl, . 有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６考证资料或关注桃报：奉献教育（店铺）NaFYF 3 Na Y ,, + F F + 2V F. 杂质缺陷浓度的计算：CaF 2+ .2V F 随堂练习： V Ca ,, K = - [V Ca ] = exp G - 3RT,, 4 1 ( ) 13随堂练习：答：MgO+ V O .. V Mg ,, - [V Mg ] = [V O ] = exp G - 2RT.. ,, 有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６考证资料或关注桃报：奉献教育（店铺）[V Mg ] = [V O ] = exp G- .. ,, 2RT[V Mg ] = [V O ] = 2.2×10-51,, .. [V Mg ] = [V O ] = 8.7×10-9 ,, .. 温度升高，热缺陷浓度迅速增大Al2O3 2MgO2Al Mg.+ 2O O+ O i,,Al2O3 3MgO2Al Mg.+ 3O O+ V Mg,,摄氏度下杂质缺陷占优。
MgO结构紧凑间隙小，难以填隙。
晶体缺陷类型
晶体缺陷类型一、点缺陷晶体中的点缺陷是指晶体结构中原子位置的缺失或替代。
常见的点缺陷有空位、间隙原子和杂质原子。
1. 空位空位是指晶体中某个晶格位置上原子缺失的现象。
晶体中的空位通常会导致晶体的物理性质发生变化，如导电性的改变。
空位的产生可以是由于晶体的生长过程中原子的缺失，也可以是由于晶体受到外界因素的影响而产生的。
2. 间隙原子间隙原子是指晶体结构中存在于晶格空隙中的原子。
间隙原子常见的有插入型间隙原子和取代型间隙原子。
插入型间隙原子是指一种原子插入了晶体结构的空隙中，而取代型间隙原子是指一种原子取代了晶体结构中原本占据该位置的其他原子。
3. 杂质原子杂质原子是指晶体结构中掺入的其他元素原子。
当晶体中的杂质原子的尺寸与晶体原子的尺寸相近时，杂质原子可能会占据晶格空隙，形成间隙型杂质。
而当杂质原子的尺寸与晶体原子的尺寸相差较大时，杂质原子可能会取代晶体结构中的原子，形成取代型杂质。
二、线缺陷晶体中的线缺陷是指晶体中某一维方向上存在的缺陷。
常见的线缺陷有位错和脆性裂纹。
1. 位错位错是指晶体中晶格的错位。
位错的存在会导致晶体的形变和力学性质的改变。
位错可以分为位错线、位错环和位错面，具体形态取决于晶体中晶格错位的类型和方向。
2. 脆性裂纹脆性裂纹是指晶体中的裂纹缺陷。
脆性裂纹通常是由于外界应力作用于晶体中产生的。
脆性裂纹的存在会导致晶体的强度降低和断裂现象的发生。
三、面缺陷晶体中的面缺陷是指晶体中某一面或界面的缺陷。
常见的面缺陷有晶界、孪晶和堆垛层错。
1. 晶界晶界是指晶体中不同晶粒之间的界面。
晶界的存在会导致晶体结构的变化以及晶粒的生长和晶体的形变。
2. 孪晶孪晶是指晶体中存在两个或多个晶格取向相近但并不完全相同的晶粒。
孪晶的存在会导致晶体的形变和物理性质的改变。
3. 堆垛层错堆垛层错是指晶体中原子堆垛顺序的错误。
堆垛层错的存在会导致晶体的物理性质发生变化，如磁性和导电性的改变。
总结：晶体中的缺陷类型包括点缺陷、线缺陷和面缺陷。
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(a)
(b)
图3-2 线缺陷 (a) 刃位错 (b)螺位错
图3-3 面缺陷－晶界
图3-4 面缺陷－堆积层错
面心立方晶体中的抽出型层错(a) 和插入型层错(b)
图3-5 面缺陷－共格晶面
面心立方晶体中{111}面反映孪晶
左图：陶瓷粉体
右图：烧结后的陶瓷
点缺陷的存在，可以提高扩散系数，促进陶瓷烧结； 面缺陷，陶瓷晶粒间的界面。
空位，空位片，与其它晶体缺陷交互作用，提高强 度、引起显著的脆性。
本节重点与难点
（1）晶体缺陷概念与分类
晶体点阵结构中周期性势场的畸变；实际晶体中与 理想的点阵结构发生偏差的区域。（点、线、面）
晶体点阵结构中周期性势场的畸变； 实际晶体中与理想的点阵结构发生偏差的区域。
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。
对晶体的周期性和方向性而言，它的缺陷十分活 跃，状态易受外界条件的影响（如温度、载荷、辐射 等）而变化。
三、晶体缺陷的类型
（1）按几何形态分类： 点缺陷（在三维空间各方向上尺寸都很小，亦称为
第一节 点缺陷
一、点缺陷的概念 二、点缺陷的类型 三、缺陷反应遵循的原则 四、点缺陷的平衡浓度 五、点缺陷与材料行为
一、点缺陷的概念
缺陷尺寸处于原子大小的数量级上，在三维空间各方 向上的尺寸都很小，亦称零维缺陷。
(a)空位
图3-6
(b)异类原子 （杂质质点）
(c)间隙原子
晶体中的点缺陷
二、点缺陷的类型
①在500℃下，每立方米Cu中的空位数目； ②在500℃下的平衡空位浓度。
解答：已知：Cu原子的摩尔质量MCu=63.54g/mol； 500℃下Cu的密度ρCu=8.96×106g/m3）
首先确定1m3体积内 Cu原子的总数：
N
N0 Cu
M Cu
6.0231023 8.96106 63.54m3
8.491028 / m3
但缺陷反应前后应遵循以下法则：
（1）位置关系：在化合物MaXb中，无论是否存在缺陷，其正负离子位置 数（即格点数）的之比始终是一个常数a/b，即：M的格点数/X的格 点数a/b。如NaCl结构中，正负离子格点数之比为1/1，Al2O3中则为 2/3。
（2）质量平衡：与化学反应方程式相同，缺陷反应方程式两边的质量 应该相等。需要注意的是缺陷符号的右下标表示缺陷所在的位置，对 质量平衡无影响。
（2）对材料物理性能与力学性能的影响
①电阻：最明显的是引起电阻的增加，晶体中
存在点缺陷时破坏了原子排列的规律性，使电子在 传导时的散射增加，从而增加了电阻。
②密度： 空位的存在使晶体的密度下降、体积
膨胀。
③高温蠕变：空位的存在及其运动是晶体高温
下发生蠕变的重要原因之一。
④力学性能：晶体在室温下可能有大量非平衡
（2）间隙原子（interstitial particle）
（弗兰克耳缺陷并不仅只指空位）
（3）异类原子或杂质质点（foreign particle）
也可视做晶体的点缺陷，它的原子尺寸或化学电负性与基体原 子不一样，它的引入必然导致周围晶格的畸变。
三、缺陷应遵循的法则
点缺陷的存在，破坏了原有原子间的作用力平衡，点缺陷周 围的原子必然会离开原有的平衡位置，作相应的微量位移，这就 是晶格畸变或应变，它们对应着晶体内能的升高。
（3）电中性：电中性要求缺陷反应方程式两边的有效电荷数必须相等。
四、点缺陷的平衡浓度
（1）平衡点缺陷及其浓度 能量 +
△F = △U-T△S
F：自由能
U：内能
T：温度
ne
S：熵
能量 -
△U=nu
△F= △U-T△S
n
-T△S
平衡点缺陷 的浓度
Ce
ne N
Aexp u kT
A：材料常数 T：热力学温度 u: 该类型缺陷形成能 k：玻尔兹曼常数
第三章 晶体缺陷
引 言 晶体缺陷概述及类型 第一节 点缺陷 第二节 位错-线缺陷 第三节 表面及界面
引言 晶体缺陷的类型
一、晶体的特征
晶体结构的基本特征：原子（或分子、 离子）在三维空间呈周期性重复排列，即存 在长程有序。
性能上两大特点：固定的熔点， 各向异性。
周期性、方向性。
二、晶体缺陷的含义
（1）点缺陷的平衡浓度与化学反映速率一样，随温度升高呈指数关 系增加。 （2）点缺陷的形成能也以指数关系影响点缺陷的平衡浓度。
由于间隙原子的形成能要比空位高几倍，因此间隙原子的平衡 浓度比空位低很多；在一般情况下，晶体中自间隙原子点缺陷可忽 略不计。
例题：Cu晶体的空位形成能Uv为0.9ev/atom，或1.44×10-19J/atom，材 料常数A取1，玻尔兹曼常数k = 1.38×10-23J/K，计算：
零维缺陷 ，如空位、间隙原子和异类原子等 ）；
线缺陷（在两个方向上尺寸很小，主要是位错 ）； 面缺陷（在空间的一个方向上尺寸很小，另外两个
方向上尺寸较大的缺陷，如晶界、相界等 ）。
（2）按形成原因分类： 热缺陷； 杂质缺陷； 非化学计量缺陷等。
(a)空位
(b)杂质质点
(c)间隙质点
图3-1 晶体中的点缺陷
概念： 晶体中点缺陷的数目明显超过平衡值。
产生原因： 高温淬火， 辐照， 冷加工， 等等。
五、点缺陷与材料行为
（1）点缺陷的运动-扩散
原子或分子的扩散是依靠点缺陷（空位和间隙原子） 的运动而实现的；高温下的原子扩散速度十分可观。
材料加工工艺中不少过程都是以扩散作为基础： 表面化学处理； 成分均匀化处理； 退火与正火； 时效硬化处理； 烧结； 固态相变； 等等。
再求500℃下的 平衡空位浓度：
Ce
ne N
A exp
u kT
exp
1.44 10 19 1.38 10 23 773
1.37 10 6
最后获得500℃下每 立方米Cu中的空位数目：
ne NCe 8.49 10 28 1.37 10 6 1.2 10 23 / m3
（2）过饱和点缺陷的产生
（1）空位（vacancy）：晶体中某结点上的原子空缺
肖脱基(Schottky)空位或肖脱基缺陷：脱位原子一般进入其他空 位或者逐渐迁移至晶界表面。
弗兰克耳(Frenkel)缺陷：晶体中的原子有可能挤入结点的间隙， 形成另一种类型的点缺陷——间隙原子，同时原来的位置也空缺了， 产生一个空位，通常把这一对点缺陷（空位和间隙原子）称为弗兰克 耳缺陷。