晶体缺陷
晶体缺陷
可写成
VCu
Cu3Au晶胞
ⅱ在NaCl中的Na+和Cl-1缺陷, 可写成
, VNa . VCl
NaCl晶胞
② 错位原子缺陷: 用错位原子的元素符号表示.
Cu3Au晶胞
错位Cu3Au晶胞
Au Cu
Cu Au
③ 杂质缺陷: 用该原子或离子的元素符号表示;
ZnS
Zn1-Cu S
Zn1- ’ Al S
其中R为模板剂三乙基胺, x + y = 1; Mg源为醋酸镁, 铝源为异丙
醇铝, 磷源为磷酸. ☺活性胶液的晶化温度: 150 ~ 250 oC. ☺分子筛的焙烧: 用于活性评价的分子筛试样需在500 ~ 600 oC, 以除去存在于分子筛孔道中的模板剂.
2. MgAPO-5 分子筛的表征 (1) X-射线粉末衍射 (XRD): 分子筛的物相结构和晶格参数; (2) 元素分析 (AES-ICP): 分子筛中的Al, P和Mg的含量; (3) 扫描电镜 (SEM): 分子筛的晶体形貌; (4) N2吸附 (BET): 分子筛的比表面积和比孔容; (5) 红外光谱 (FT-IR): 分子筛的骨架结构;
2 ( )
(2) MgAPO-5分子筛的AES-ICP分析
* 杂原子同晶取代为Mg(II)取代骨架Al(III) ( Mg ,Al ).
(3) 扫描电镜 (SEM): 分子筛的晶体形貌
a b c
d
e
f
* SEM images of as-synthesized MgAPO-5 (a-e) and calcined
（001）
KCl晶胞 (NaCl型晶体) 热振动 迁移至外表面
, VK
-
迁移至外表面 Schottky缺陷
晶体缺陷的名词解释
晶体缺陷的名词解释晶体缺陷是指晶体结构中存在的不规则性或者失序性，它们可以是由于晶体生长过程中的某些不完美导致的，也可以是在晶体使用过程中形成的。
晶体缺陷对材料的物理性质和化学性质有着重要影响，因此，对晶体缺陷的理解与研究具有重要意义。
一、点缺陷点缺陷是一种在晶体中以原子或原子团为单位存在的不规则性。
点缺陷可以分为两类，即缺陷原子和间隙原子。
缺陷原子是指晶体中一个位置上原子的缺失或替代，而间隙原子是指晶体中非正常晶格位置上的原子存在。
点缺陷的存在对晶体的导电性、热传导性以及光学性质等方面都会产生显著影响。
二、面缺陷面缺陷是指在晶体中存在的二维或三维结构缺陷。
面缺陷可以分为孪生界面、晶界和堆垛层错三类。
孪生界面是晶体内部两个完全互相倒转或者镜像对称的晶体颗粒之间的界面。
晶界是指晶体内部两个晶体颗粒之间的原子排列或晶格编织方式发生转变的区域。
堆垛层错是因为在晶体生长过程中，晶体颗粒之间因堆垛方式的差异而产生的错位。
面缺陷在晶体的力学性能、疲劳机制以及晶体生长等方面具有重要影响。
三、体缺陷体缺陷是指晶体内部原子排列或晶格结构出现不规则性或失序性的缺陷。
体缺陷包括空位、间隙和失序。
空位是指晶体内原子因缺失而导致的晶体结构不完整。
间隙是指晶体中非正常晶格位置上的原子存在。
失序则是指晶体中原子的无序或错位状态。
体缺陷对晶体的机械性能、热膨胀性质以及磁性等方面产生显著影响。
四、缺陷治理缺陷治理是指通过不同的方法和手段对晶体中的缺陷进行修复或改善的过程。
常见的缺陷治理方法包括热退火、添加合金元素和辅助材料等。
热退火是通过加热晶体使缺陷移动并重新排列，从而达到改善晶体结构的目的。
添加合金元素和辅助材料则是通过引入其他原子或化合物来改善晶体的物理性质和化学性质。
总结起来，晶体缺陷是晶体结构中存在的不规则性或失序性。
它们可以是点缺陷、面缺陷或体缺陷。
这些缺陷对晶体材料的性能产生重要影响，因此，研究和理解晶体缺陷的形成和治理具有重要意义。
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。
《晶体缺陷》课件
热稳定性
晶体缺陷可能影响材料在高温下的稳 定性，降低其使用温度范围。
比热容
晶体缺陷可能影响比热容，改变材料 吸收和释放热量的能力。
光学性能的影响
折射率与双折射
光吸收与散射
晶体缺陷可能导致折射率变化和双折射现 象，影响光学性能。
晶体缺陷可能导致光吸收增强或光散射增 加，改变光学透射和反射特性。
荧光与磷光
热电效应
某些晶体缺陷可能导致热电效应增强，影响 热电转换效率。
介电常数
晶体缺陷可能影响介电常数，改变电场分布 和电容。
电阻温度系数
晶体缺陷可能影响电阻温度系数，改变温度 对电阻的影响。
热学性能的影响
热导率变化
晶体缺陷可能降低材料的热导率，影 响热量传递和散热性能。
热膨胀系数
晶体缺陷可能影响热膨胀系数，影响 材料在温度变化下的尺寸稳定性。
。
韧性下降
晶体缺陷可能导致材料韧性下 降，使其在受到外力时更容易
脆裂。
疲劳性能
晶体缺陷可能影响材料的疲劳 性能，降低其循环载荷承受能
力。
强度与延展性
晶体缺陷可能影响材料的强度 和延展性，从而影响其承载能
力和塑性变形能力。
电学性能的影响
导电性变化
晶体缺陷可能改变材料的导电性，影响其在 电子设备中的应用。
传感器
基于晶体缺陷的原理，可以设计新型传感器，如压力传感 器、温度传感器和气体传感器等，以提高传感器的灵敏度 和稳定性。
在新能源领域中的应用
太阳能电池
在太阳能电池中，可以利用晶体 缺陷来提高光吸收效率和载流子 的收集效率，从而提高太阳能电
池的光电转换效率。
燃料电池
在燃料电池中，可以利用晶体缺陷 来改善电极的催化活性和耐久性， 从而提高燃料电池的性能和稳定性 。
晶体缺陷
6 ln10 8.617 10 5 13.8 8.617 105 u 1.98(e V) 3 3 1 1 1.145 10 1.745 10 873 573
晶体缺陷
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。 实际晶体：存在着各种各样的结构的不完整性。(原 因：原子或离子、分子的热运动，晶体形成条件、冷 热加工过程和辐射、杂质等因素）
意义： 1.缺陷对材料性能，比如对结构敏感的屈服强度、断裂 强度、塑性、电阻率、磁导率等有很大的影响. 2.晶体缺陷与扩散、相变、塑性变形、再结晶、氧化、 烧结有着密切关系。
在离子晶体中： 肖特基缺陷 为了维持电中性，当离子晶体中有一个正离子产生空 缺，则邻近必有1个负离子空位，即正负离子空位是成 对出现。 弗兰克尔缺陷 如果1个正离子跳到离子晶体的间隙位置，则在正常的 正离子位置出现1个正离子空位，即空位-间隙离子。
离子晶体中 的点缺陷
2.杂质缺陷定义:
亦称为组成缺陷，是由外加杂质的引入所产生的 缺陷。 类型：
例题2
Cu晶体的空位形成能为1.44×10-19J/atom，材料常数 A取1，Cu摩尔质量为63.54g/mol，500℃下密度为 8.96×106g/m3，求500℃下每立方米Cu中的空位数。 原子总数
N 6 63 . 54 8 . 96 10 6.02 1023
空位数
u n Nexp kT
不同材料的空位形成能
材料 W Fe Ni Cu Ag Mg Al Pb Sn
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。
晶体缺陷
s xx xy xz yx s yy yz s zy zz zx
s rr r r s zr z
rz z s zz
• 平衡状态，有切应力互等
y
yx
xy
3、柏氏矢量的性质
（1）守恒性
a.一根位错线只有一个 b，运动过 程中不变。
∵ b 是滑移区上下两部分晶体相
对滑动的矢量。
未 滑 移 区
滑 移 区
b
∴ 无论位错线形状如何，怎样运动，滑移区的相对滑移 矢量不变，即 b 相同。
b例：位错环 的确定
τ
A C B D C
A
┻
b
┬
• Frank
复合型
空位 ＋ 间隙离子
• Shockley
复合型
一对带电空位
Cl Frank Ca+2取代Na+ Shockley Na+ Ca+2 空位
NaCl晶体
按形成原因分为三类：
热缺陷 由原子的热振动，形变加工，高能粒子轰击等，此 类点缺陷浓度受热力学控制，尤其前者与温度有关。
Cv＝ f（T）
G ＝ 0 n
ΔG 0
平衡时：
令
n Ev TS v kT ln( )0 N n
n
Ev TS v kT ln(
n )0 N n
E TS v n exp( v ) N n kT N n Ev TS v Gv n Cv exp[ ] exp[ ] N kT kT
τ
B A b
部分晶体沿滑移面发生了部分
滑移。 滑移区与未滑移区交线为EF， EF线周围的原子失去了正常排 列。
晶体结构缺陷
4）溶质原子：LM表达L溶质处于M位置，SX表达S溶质处 于X位置。 例：Ca取代了MgO晶格中旳Mg写作CaMg， Ca若填隙在MgO晶格中写作Cai。
5）自由电子及电子空穴：自由电子用符号e′表达。电子空 穴用符号h·表达。它们都不属于某一种特定旳原子全部， 也不固定在某个特定旳原子位置。
VO••
3OO
1 2
O2
例2：CaCl2溶解在KCl中：
产生K空位 ，合 理
CaCl2 KCl CaK• VK' 2ClCl
CaCl2 KCl CaK• Cli' ClCl
Cl-进入填隙位， 不合理
CaCl2 KCl Cai•• 2VK' 2ClCl
Ca进入填 隙位，不合
理
例3：MgO溶解到Al2O3晶格内形成有限置换型固溶体：
荷。为了保持电中性，会产生阴离子空位或间隙阳离子； 2、高价阳离子占据低价阳离子位置时，该位置带有正电
荷，为了保持电中性，会产生阳离子空位或间隙阴离子。
举例：
例1：TiO2在还原气氛下失去部分氧，生成TiO2-x旳反应能 够写为：
2TiO2
2TiT' i
VO••
3OO
1 2
O2
2Ti
4OO
2TiT' i
克罗格-明克符号系统
1、 缺陷符号旳表达措施 （以MX离子晶体为例） 1）空位：VM和VX分别表达M原子空位和X原子空位，V表达缺陷种类，
下标M、X表达原子空位所在位置。
VM〞=VM +2eˊ VX‥ = VX +2 h·
2）填隙原子：Mi和Xi分别表达M及X原子 处于晶格间隙位置 3）错放位置：MX表达M原子被错放在X位置上， 这种缺陷较少。
晶体的缺陷
无外电场时的势能曲线
有外电场时的势能曲线
离子晶体的导电性强烈依赖于温度
位错对力学性能的影响
范性形变：金属受到的应力超过弹性限度时会发生永久形变。 范性形变的发生是由于晶体某族晶面发生了滑移 临界切应力：对于一定的晶体材料，存在产生范性形变的最小 的切应力tc 金属晶体：实际值105～106 N/m2；理论值109 N/m2（认为金属 晶体是理想的，在滑移过程中，晶面整个地发生了相对的滑移） 理论值和实验值严重不同---理论模型不符合实际。 实验证明晶体内位错的存在使临界切应力大为减小。
杂质缺陷
替位杂质：落在晶体的正常格点位置 的杂质原子。 填隙杂质：落在晶体格点之间间隙位 置的杂质原子。
点缺陷
替位杂质缺陷
自填隙原子：纯净晶体的表面原子离 开表面进入晶格间隙位置，称为自填隙 原子。此时只有填隙原子，没有空位。
填隙杂质缺陷
色心
点缺陷
能吸收光的点缺陷（使晶体呈现一定颜色）。
F心：将碱卤晶体放在碱金属的蒸气中加热，然后骤冷 到室温，原来透明的晶体就出现了颜色，氯化钠变成淡 黄色，氯化钾变成紫色，氟化锂变成粉红色等等。这些 晶体的吸收光谱在可见光区有一个钟形的吸收带，称为F 带，产生这个吸收带的吸收中心称为F心。 ----负离子空位束缚一个电子的组合 V心：--- --其他：、N心、 M心等
缺陷存在的比例只是一个很小的量(通常情况）。例如20℃ 时，Cu的空位浓度为3.8×10-17
※ 缺陷对金属晶体性质的影响 ？
点缺陷对晶体性质的影响
晶体缺陷引起晶格局部弹性变形称晶格畸变。 点缺陷引起的三种晶格畸变
杂质粒子缺陷
空位缺陷
间隙粒子缺陷
晶格畸变引起晶体结构的变化，对晶体性质如机械强度、 导电性、耐腐蚀性和化学反应性能都有较大影响。
晶体的缺陷
4．1 晶体缺陷的基本类型
晶体缺陷按几何形态分，有点缺陷、线缺陷和面缺陷
4.1.1 点缺陷
( 1)．弗仑克尔(Frenkel)缺陷 正常格点上的原子，无时无刻 不在作围绕平衡点的振动．由 于存在热振动的涨落，振幅达 的原子就会摆脱平衡位置而进 入原子间隙位置．这种由一个 正常原子同时产生一个填隙原 子和一个空穴的缺陷称为弗仑 克尔缺陷。
τ1：空位从一个格点跳到相邻格点所需等待的时间 τ2：填隙从一个间隙跳到下一个间隙所需等待的时间
假设τ2》τ1， 与空位相邻的原子跳入空位所要等待的时间
可得出单位时间内一个原子由正常格点跳到间隙位置变 成填隙原子的几率为
当τ1》τ2时，即空位从一个格点跳到相邻格点所需等 待的时间比填隙原子从—个间隙位经跳到相邻间隙位置 所需等待的时间长得多时，可以近似把空位看作相对静 止．由类似的分析可得
从N个院子中取出n个原子形成n个空位的可能方式数目
N! W N n 形成间隙院子的方式数目为
' N ! W1'' ' N n !n!
有缺陷后晶格的微观状态数目为
' N ! N ! W W1'W1''W0 ' N n !N n(n!) 2
4．3 热缺陷的统计理论
4.3.1 热缺陷的产生几率
弗仑克尔缺陷和肖持基缺陷，存在产生、运动 和复合问题． 当温度一定时，热缺陷的产生和复合达到平衡， 热缺陷的统计平均数目为一定值，热缺陷在晶体内均 匀分布．设晶体是由N个原子构成，空位数目为nl，填 隙原子数目为n2； P代表在单位时间内，一个正常格点 上的原子跳到间隙位置的几率，τ＝l／P代表一个正常 格点上的原子成为填隙原子所需等待的时间．
晶体缺陷
固溶体是以某一组元为溶剂，在其晶体点阵中溶 入其他组元原子（溶质原子）所形成的均匀混合 的固态溶体，它保持着溶剂的晶体结构类型。
固溶度:硅中能容纳杂质的最大数目 影响固溶度的因素有很多,主要有以下几个因素: ①杂质的种类。硅与杂质原子的晶体结构相同时， 杂质原子就可以连续不断地置换硅原子。如果两 种原子的晶体结构类型不同，固溶度是有限的。
一般把多出的半原子面在滑移面上边的称为正刃 型位错，记为“┻”；而把多出在下边的称为负 刃型位错，记为“┳”。正、负之分只具相对意 义而无本质的区别。
刃位错的几何特征:
位错线与原子滑移方向相垂直；
滑移面上部分位错线周围原子受压应力作用，原 子间距小于正常晶格间距； 滑移面下部分位错线周围原子受张应力作用，原 子间距大于正常晶格间距。
根据晶体缺陷的几何特征，可以分为四类：
点缺陷：其特征是在三维空间的各个方面上尺寸都很小， 尺寸范围约为一个或几个原子尺度， 故称零维缺陷，包 括空位、间隙原子、杂质或溶质原子等； 线缺陷：其特征是在两个方向上尺寸很小，另外一个方向 上延伸较长，也称一维缺陷，如各类位错；
面缺陷：其特征是在一个方向上尺寸很小，另外两个方向 上扩展很大，也称二维缺陷．晶界、相界、孪晶界和堆垛 层错等都属于面缺陷。
位错的爬升
位错爬升是靠原子或空位的转移来实现的。当原 子从多余半原子面下端转移到别处，或空位从别 处转移到半原子面下端时，位错线便向上爬升， 即正爬升；反之，当原子从别处转移到多余半原 子面下端时，或空位从这里转移到别处去时，位 错线就向下爬升，即负爬升。
刃位错爬升的实质就是构成刃位错的多余半原子 面的扩大或缩小。
位错运动不引起晶体体积的变化，这类运动称为位错的守 恒运动（滑移） 位错运动引起晶体体积的变化，这类运动称为位错的非守 恒运动（爬升）
晶体的缺点和不足
晶体的缺点和不足
晶体是由原子、分子或离子按照一定的周期性在空间排列形成的固体物质，具有以下缺点和不足：
1. 晶体生长缓慢：晶体的生长通常需要较长的时间，尤其是对于大尺寸、高质量的晶体，生长过程可能非常耗时。
2. 晶体缺陷：在晶体生长过程中，可能会引入各种缺陷，如点缺陷、线缺陷、面缺陷等。
这些缺陷可能会影响晶体的物理、化学和电子性质。
3. 晶体的各向异性：晶体在不同方向上的物理性质可能会有所不同，这被称为晶体的各向异性。
这可能会导致在某些应用中需要对晶体的取向进行控制，增加了制备的难度。
4. 晶体的脆性：大多数晶体材料相对较脆，容易在受到外力作用时发生断裂或破裂。
这限制了它们在需要一定柔韧性或抗冲击性的应用中的使用。
5. 有限的晶体结构：晶体的周期性结构限制了它们在某些方面的性能。
例如，晶体的能带结构决定了它们的电子传输性质，可能无法满足某些特定应用的要求。
需要注意的是，不同类型的晶体可能具有不同的特点和应用领域。
对于特定的应用，人们可以选择合适的晶体材料或通过晶体工程等方法来克服其缺点和不足。
此外，随着科学技术的发展，人们也在不断探索和研究新的晶体材料和制备方法，以满足各种应用需求。
晶体的缺陷名词解释
晶体的缺陷名词解释晶体学是研究晶体内部结构和缺陷的科学，晶体的缺陷是晶体中不规则排列的原子或离子，其存在对晶体的性质和性能产生重要影响。
本文将对晶体的缺陷名词进行解释和探讨。
一、位错位错是晶体中最常见的缺陷之一。
位错是晶体中原子或离子的断裂、错位或在晶体内偏离理想位置的缺陷。
位错分为直线位错、面内位错和体位错。
直线位错是沿着某个方向延伸的位错线，用于解释晶体中的滑移和塑性行为。
面内位错是紧邻平面的晶格原子错位，可以影响晶体的断裂和强度。
体位错是晶体中多个面内位错重叠形成的三维位错结构。
二、点缺陷点缺陷是晶体中存在的原子或离子缺陷，其大小仅为一个晶胞的量级。
点缺陷包括原子间隙、自间隙、离子空位和杂质原子。
原子间隙是晶体中某些原子的理想位置为空出的空间，可以容纳其他原子。
自间隙则是由原来的晶格原子跑到别处形成的间隙，导致了晶体中的晶格畸变。
离子空位是离子晶体中缺失的离子，结果是电荷不平衡。
杂质原子是非晶体中掺入的其他原子，可以显著改变晶体的化学和物理性质。
三、线缺陷线缺陷是晶体中存在的缺陷行，其宽度明显大于点缺陷。
线缺陷包括晶格扭曲、晶格错位带、螺旋位错带和阵列位错。
晶格扭曲是晶格不一致引起的畸变，主要表现为晶格常数的变化。
晶格错位带是晶格中原子错位所形成的缺陷带，常见于金属材料。
螺旋位错带是由于晶体中原子扭曲形成的螺旋线结构，可以影响晶体的力学性能。
阵列位错是沿某个方向连续形成的位错，会导致晶体的局部应力集中。
四、界面缺陷界面缺陷是晶体内部不同晶体区域之间的缺陷，包括晶界和相界。
晶界是晶体中两个晶粒之间的边界，常见于多晶材料中，可以影响晶体的导电性和力学性能。
相界则是晶体内部不同相之间的边界，会导致晶体中的相变和形态变化。
五、体缺陷体缺陷是晶体中三维空间的缺陷，其大小大于线缺陷和点缺陷。
体缺陷包括晶格空缺、晶格畸变和晶格间隙。
晶格空缺是晶体中空出的晶格位置，导致晶体中缺失原子的紧邻空位。
晶格畸变是晶体中晶格常数的变化，常见于热力学非平衡过程和应力作用下。
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！。
晶体的缺陷与影响因素
晶体的缺陷与影响因素一、晶体的基本概念1.晶体的定义：晶体是原子、分子或离子按照一定规律在三维空间作有规律的周期性重复排列所形成的物质。
2.晶体的特点：具有规则的几何形状、透明的光学性质、各向异性的物理性质等。
二、晶体的缺陷1.晶体缺陷的定义：晶体缺陷是指晶体结构中周期性重复排列的失去或破坏。
2.晶体缺陷的类型：a.点缺陷：原子、分子或离子在晶体中的位置上缺失或被其他粒子所替代。
b.线缺陷：晶体中若干个连续的原子、分子或离子排列发生偏离，形成缺陷线。
c.面缺陷：晶体中一个或多个平面上原子、分子或离子的排列发生偏离，形成缺陷面。
三、晶体缺陷的影响因素1.温度：温度对晶体缺陷的影响主要表现在原子、分子或离子的运动上，温度升高，运动加剧，晶体缺陷增多。
2.压力：压力对晶体缺陷的影响主要体现在晶体结构的稳定性上，压力增大，晶体结构稳定性降低，缺陷增多。
3.材料的制备方法：不同的制备方法会导致晶体结构的差异，从而影响晶体缺陷的生成。
4.杂质：杂质的存在会影响晶体中原子、分子或离子的排列，容易产生缺陷。
四、晶体缺陷对材料性能的影响1.点缺陷对材料性能的影响：a.空位缺陷：会使材料的硬度、强度降低，熔点升高。
b.替位缺陷：会使材料的熔点、电导率等发生变化。
2.线缺陷对材料性能的影响：a.位错：会使材料的塑性变形能力增强，强度降低。
b.裂纹：会使材料的强度、韧性降低，易断裂。
3.面缺陷对材料性能的影响：a.晶界：会影响材料的力学性能、扩散性能等。
b.相界面：会使材料的物理性能、化学性能发生变化。
五、晶体缺陷的控制与利用1.控制晶体缺陷的方法：a.优化材料的制备工艺：如控制温度、压力、杂质等。
b.引入合适的掺杂元素：调节晶体缺陷的类型和数量。
2.利用晶体缺陷的方法：a.制造半导体器件：如集成电路、太阳能电池等。
b.制备纳米材料：利用晶体缺陷实现材料的特殊性能。
以上是对晶体缺陷与影响因素的详细介绍，希望对您有所帮助。
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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z A b
用一个主要符号表明缺陷的种类
用一个下标表示缺陷位置 用一个上标表示缺陷的有效电荷
如“ . ”表示有效正电荷; “ / ”表示有效负电荷; “×”表示有效零电荷。
用MX离子晶体为例（ M2＋ ；X2－ ）：
（1）空位：Vacancy
VM 表示M原子占有的位置，在M原子移走后出现的空 位；VX 表示X原子占有的位置，在X原子移走后出现 14 的空位。
CaNa 杂质离子Ca2+取代Na+位置,比原来Na+高+1价电荷,
Ca 杂质Ca2+取代Zr4+位置，与原来的Zr4+比，少2个正电荷， Zr VK
VCl 表示 Cl-的空位，对原结点位置而言，少了一个负电
荷，所以空位带一个有效正电荷。 计算公式： 有效电荷＝现处类别的既有电荷－完整晶体在同样位置上 的电荷 （ 2） 每种缺陷都可以看作是一种物质，离子空位与点阵 空（h· ）也是物质，不是什么都没有。空位是一个零粒子。
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+ 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——
VNa
写作
VNa e VNa
同样，如果取出一个Cl－ ,即相当于取走一个Cl原子 加一个e，那么氯空位上就留下一个电子空穴(h. )即
33
②电荷补偿置换
BaTiO3 • 2PbCo0.5W0.5O3
· 2PbBa+CoTi″+WTi·+6OO
式中Co2+比Ti4+低二价，而W6+比Ti4+高二价，当 用Co2+和W6+置换2个Ｔi4+之后，是数是平衡的，转换 的离子个数也相同。 特点：溶解度极限比单独掺Co2+或W6+大，是掺杂改性的 主要方法。产生的点缺陷是一般溶质或带电溶质。 ③形成正离子空位的置换
30
易 于 形 成
固溶体的分类 (1) 按溶质原子在溶剂晶体中的溶解度分类 ： 连续
型固溶体、 有限型固溶体 特点：对于有限型固溶体，溶质在有限范围内
溶解度随温度升高而增加。 (2) 按溶质原子在溶剂晶格中的位置划分：间隙型固
溶体、换型固溶体
特点：形成间隙型固溶体体积基本不变或略有
膨胀；
形成置换型固溶体后体积应比基质大。 31
23
3 写缺陷反应举例 （1） CaCl2溶解在KCl中
CaCl2 KCl Ca K VK 2ClCl
(1 1)
CaCl2 Ca Cli ClCl
KCl K
(1 2)
(1 3)
CaCl2 KCl Cai 2VK 2ClCl
17
（6）带电缺陷 不同价离子之间取代出现离子空位以外的又一种带电 缺陷。 如Ca2+取代Na+——Ca · Na Ca2+取代Zr4+——Ca″Zr
(7) 缔合中心在晶体中除了单个缺陷外，有可能出现邻 近两个缺陷互相缔合，把发生 缔合的缺陷用小括号表 示，也称复合缺陷。 通常是一个带电缺陷与另一个有相反符号的点缺 陷缔合。因为在离子晶体中带相反电荷的点缺陷之间， 存在一种有利于缔合的库仑引力。 如：在NaCl晶体中，
29
2、杂质的引入 （1）固溶体
固溶体的定义：外来组分（原子、离子或分子）分布 在基质晶格内，类似于溶质溶解在溶剂中一样，虽然晶格 要产生畸变或出现其它缺陷，但仍保持一个晶相。 固溶体的形成： 形成条件：结构类型相同， 化学性质相似， 置换质点大小相近。 形成史：(1) 在晶体生长过程中形成 (2)在熔体析晶时形成 (3)通过烧结过程的原子扩散而形成 几个概念区别——固溶体、化合物、混合物。
第四章
晶体结构缺陷
1
第四章
第一节 前言
晶体结构缺陷
第二节 点缺陷
第三节 线缺陷-位错
第四节 面缺陷与体缺陷
2
4.1 概
1、缺陷产生的原因——热震动
杂质
述
2、 缺陷定义—— 实际晶体与理想晶体相比有一定程度的偏
离或不完美性， 把两种结构发生偏离的区 域叫缺陷。 3、 缺陷分类——点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷 4、 研究缺陷的意义—— （1） 晶体缺陷是材料结构敏感性的物理根源。 （2）晶体缺陷是材料导电、半导体、发色（色心）、发光、
概念——杂质原子进入晶体而产生的缺陷。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 特点——杂质缺陷的浓度与温度无关， 只决定于溶解度。 存在的原因——本身存在 有目的加入(改善晶体的某种性能)
11
杂质缺陷与信息材料
（1）P型半导体：单晶硅中掺入B、Ga等
（2）N型半导体：单晶硅中掺入As、P、Sb等
当一个M原子从晶体内部迁移到表面时，用符
号MS表示。S 表示表面位置。在缺陷化学反应
中表面位置一般不特别表示。
21
小结
（1）缺陷符号 缺陷的有效电荷是相对于基质晶体的结点位置而言的， 用“.”、“′”、“×”表示正、负（有效电荷）及电中性。
X NaNa ( NaNa ) X ClCl (ClCl )
VCl h V
Cl
15
（2） 填隙原子：Interstitial, 用下标“i”表示 Mi 表示M原子进入间隙位置； Xi 表示X原子进入间隙位置。 （3）错位原子（错放位置）： MX 表示M原子占据了应是X原子正常所 处的平衡位置，XM 类似。
（4）溶质原子（杂质原子）：
LM 表示溶质L占据了M的位置。如：CaNa
2 MgO 2 Mg V 2OO Al
Al2O3 O
Al2 3 MgO O3 2 Mg Mgi 3OO Al
(1－4)
(1－5)
（1－5〕较不合理。因为Mg2+进入间隙位置不易发生。
26
练习பைடு நூலகம்
写出下列缺陷反应式：
. LiCl MgCl2 ( S ) MgLi VLi 2ClCl
CaCl2 ( s) Ca VK 2ClCl
KCl K
K : Cl = 2 : 2
对于非化学计量化合物，当存在气氛不同时，原子之间 的比例是改变的。
例：TiO2 由 1 : 2
变成 1 : 2－x (TiO2－x )
19
(2) 位置增殖 形成Schttky缺陷时增加了位置数目。 能引起位置增殖的缺陷：空位(VM)、错位(VX)、
(1) MgCl2固溶在LiCl晶体中(产生正离子空位，生成置换型SS)
(2) SrO固溶在Li2O晶体中(产生正离子空位，生成置换型SS)
. Li O Sr O( S ) SrLi VLi OO
2
(3) Al2O3固溶在MgO晶体中(产生正离子空位，生成置换型SS)
. MgO Al 2O3 ( S ) 2 Al Mg VMg 3OO
KCl
表示KCl作为溶剂。 以上三种写法均符合缺陷反应规则。
实际上（1－1）比较合理。
24
（2） ZrO2掺入到Y2O3晶格中缺陷
Y2O3 2ZrO2(S)
2ZrY·+3OO+Oi″
正常晶格位置保持2：3；质量平衡；等式二 边电荷相等，说明此反应符合书写规则。
25
（3） MgO溶解到Al2O3晶格中，形成有限置换型固溶体
(4) YF3固溶在CaF2晶体中(产生正离子空位，生成置换型SS)
2Y F3 ( S ) CaF 2YCa. VCa 6FF
2
(5) CaO固溶在ZrO2晶体中(产生负离子空位，生成置换型SS)
ZrO Ca O ( S ) Ca VO OO Zr
12
3. 非化学计量结构缺陷（电荷缺陷）
存在于非化学计量化合物中的结构缺陷，化合物化学 组成与周围环境气氛有关；不同种类的离子或原子数之比 TiO 不能用简单整数表示。如： 2 x;
非化学计量缺陷 电荷缺陷
价带产生空穴 导带存在电子
周期排列不变
附加 电场
周期势场畸变 产生电荷缺陷
13
二、缺陷化学反应表示法 1. 常用缺陷表示方法
4
B、 根据产生缺陷的原因分 热 缺 陷
杂 质 缺陷
非化学计量结构缺陷（电荷缺陷）
5
1. 热缺陷：当晶体的温度高于绝对0K时，由于晶格内原子热运 动，使一部分能量较大的原子离开平衡位置造成的 缺陷。 （1）弗林克尔倾斜- Frankel缺陷 特点 —— 空位和间隙成对产生 ；晶体密度不变。 例 : 纤锌矿结构 ZnO晶体，Zn2+ 可以离开原位进 入间隙， 此间隙为结 构中的另一半 “四孔”和“八 孔”位置。 从能量角度分析：
置换杂质原子( MX 、XM)、表面位置(XM)等。
不发生位置增殖的缺陷：e′ , h· Mi , Xi , Li等。 ,
当表面原子迁移到内部与空位复合时，则减少
了位置数目（MM 、XX）。
20
(3)质量平衡
参加反应的原子数在方程两边应相等。
(4)电中性
缺陷反应两边总的有效电荷必须相等。
(5)表面位置
形成置换固溶体的条件和影响溶解度因素
(1) 离 子 大 小
(2) 晶体的结构类型
(3) 离 子 电 价 (4) 电 负 性
32
（2）置换型固溶体 主要有以下几种情况 ①简单置换 电价相同离子之间进行等量置换。 例： BaTiO3
SrTiO3
SrBa+TiTi+3OO
特点：仅引起晶格畸变，产生的点缺陷 就是一般的溶质离子。