材料结构与性能2-晶体缺陷

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） 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。
点缺陷：晶格结点粒子发生局部错乱的现象。
按引起点缺陷的粒子不同，可分为： 错位粒子、间隙(填隙)粒子、杂质粒子和空位。
色心的应用
（1）光学材料 色心在许多光学材料中是一种有害的缺陷，因为它会引
起对某些波段光的吸收，影响光的透过率。例如，许多在真 空环境下生长的氧化物晶体，会因晶体中缺氧而形成色心。 解决的办法：把高温下的晶体，在空气或氧气氛中退火，这 样，可以消除由于氧空位而引发的色心。
（2） 各种宝石的着色 宝石中存在着某种过渡金属离子，不同价态的过渡金属离
晶体中存在着晶格空位，这种空位是晶体内部格点上的 原子或离子通过接力运动移到表面格点位置后在晶体内所留 下的空位。这种晶体空位称为肖脱基缺陷。
（2）Frenkel缺陷 如果晶体内部格点上的原子或离子移到晶格间隙位置形成
间隙原子，同时在原来的格点位置上留下空位，那么晶体中 将存在等浓度的晶格空位和填隙原子。这种空位-间隙原子对 称为费仑克尔缺陷。 （3）间隙原子缺陷
F心是离子晶体中的一个负离子空位束缚一个电子构成的 点缺陷。形成过程是碱卤晶体在相应的过量碱金属蒸汽中加 热，例如：NaCl晶体在Na蒸汽中加热后呈黄色；KCl晶体在K 蒸汽中加热后呈紫色；LiF在Li蒸汽中加热后呈粉红色。
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”。
缺陷产生的原因——热震动、杂质 研究缺陷的意义——导电、半导体、发色（色心）、发光、
扩散、烧结、固相反应………材料科学的 基础。
缺陷的分类：
按照缺陷的形成和结构分类： 本征缺陷(固有缺陷)：指不是由外来杂质原子形成， 而是由于晶体结构本身偏离晶格结构造成的缺陷。 杂质缺陷：指杂质原子进入基质晶体中所形成的缺 陷。
按照缺陷存在的状态可把缺陷划分为两部分： 化学缺陷 物理缺陷
化学缺陷： 是指在晶体中存在外来原子或空位； 物理缺陷：是指应变、位错、晶粒间界、孪晶面 和堆垛层错等。
按缺陷在空间的几何构型(三维尺寸)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。 其中点缺陷是最基本的。
❖ 间隙原子：原子进入晶格中正常结点之间的间隙位置； ❖ 空位：正常结点没能被原子或离子所占据； ❖ 杂质原子：外来原子进入晶格，杂质取代原来的原子进入 正常位置或进入间隙。
杂质原子进入晶格（结晶过程中混入或加入，一般不大 于0.1~1％）。
杂 质 原 子 进入
间隙位置—间隙杂质原子
固
溶
正常结点—取代(置换)杂质原子 体
特点——杂质缺陷的浓度与温度无关，只决定于溶解度。
杂质原子
实际晶体中存在某些微量杂质。一方面是晶体生长过程中引 入的，如O、N、C等，这些是实际晶体不可避免的杂质缺 陷，只能控制相对含量的大小；另一方面是有目的地向晶体 中掺入的一些微量杂质，例如在单晶硅中掺入微量的B、Pb、 Ga、In、P、As等可以使晶体的导电性能发生很大变化。当 晶体存在杂质原子时，晶体的内能会增加，由于少量的杂质 可以分布在数量很大的格点或间隙位置上，使晶体组态熵的 变化也很大。因此温度T下，杂质原子的存在也可能使自由 能降低。
（4）光敏材料 通过辐照可以变色的材料称为光敏材料或光致变色材料。 晶体变色的程度正比于入射到晶体上的光的能量。 无机
晶体缺陷
晶体缺陷(crystal disfigurement):晶体中某些区域粒 子的排列不象理想晶体那样规则和完整，这种偏离 完整性的区域，或者说晶体中一切偏离理想的晶格 结构称做晶体缺陷。
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。
对于缺陷的认识与研究是固态化学、材料化学 的重要内容之一，因为晶体缺陷与固体结构、组成、 制备工艺和材料的物理性质之间关系密切。
它是晶体格点原子运动到晶体的间隙位置。形成填隙缺陷 需要更大的能量，除小半径杂质原子外，一般不易单独形成 此种缺陷。
Frankel缺陷的产生
Schottky缺陷的产生
（4）色心 色心是一种非化学计量比引起的空位缺陷。该空位能够
吸收可见光使原来透明的晶体出现颜色，因而称它们为色心, 最简单的色心是F心。
子对宝石颜色有显著的影响。 解决的办法：在真空下，对浅蓝色蓝宝石退火及在氧气氛、
高温下对深蓝黑色蓝宝石退火或其他处理方法，得到蓝色适中 的高档次宝石。
（3）色心激光晶体
色心激光主要是利用碱金属卤化物及其掺杂的晶体中的 F+，F-，F2+，F3+等色心的吸收和发射光谱，用一定波长的泵 浦光使色心中的电子跃迁到高能级，大量处于高能级的电子降 回基态，释放的能量以激光的形式发射出来。例如，利用在 LiF晶体中掺OH-可以提高LiF:F2+色心激光晶体的稳定性。
杂质粒子缺陷
空位百度文库陷
间隙粒子缺陷 杂质缺陷
错位粒子缺陷 本征缺陷
点缺陷是由于热运动，晶体中以空位、间隙原子、杂质原子 为中心，在一个或几个原子尺寸范围的微观区域内，晶格结 构偏离严格周期性而形成的畸变区域。点缺陷是是晶体中最 简单、最常见或者说一定存在的缺陷形式。 点缺陷的类型 （1）Schottky缺陷
与F心相对的色心是V心。当碱卤晶体在过量的卤素蒸汽 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。
V心和F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。所以色心也是一种非化学计量引起的缺陷。