点缺陷及位错

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第三章 晶体缺陷
3.2 线缺陷-位错 3.2.1 位错的基本类型和性质 （1）刃型位错 刃型位错的基本特征： ④ 刃位错周围的点阵发生弹性畸变，既有 切应变，也有正应变。对正刃位错而言， 滑移面上方受到压应力、下方受拉应力； 对负刃位错而言，情况相反。 在位错线周围的过渡区每个原子具有较 大的平均能量，该过渡区只有几个或十 几个原子的宽度。
是点缺陷的平衡浓度。
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3.1 点缺陷 3.1.2 点缺陷的平衡浓度 对点缺陷的平衡浓度如何来理解？从热力学的观点：点缺陷平衡浓度 是矛盾双方的统一。 (1)一方面，晶体中点缺陷的形成引起了点阵的畸变，使晶体的内能 增加，提高了系统的自由能。 (2)另一方面，由于点缺陷的形成，增加了点阵排列的混乱度，系统 的微观状态数目发生变化，使体系的组态熵增加，引起自由能下降。 当这对矛盾达到统一时，系统就达到平衡。因为系统都具有最小自 由能的倾向，由此确定的点缺陷浓度即为该温度下的平衡浓度。
第三章 晶体缺陷
3.1 点缺陷 3.1.3 过饱和点缺陷的形成 a. 热平衡点缺陷：由热起伏促使原子脱离点阵位置而形成的点缺陷，体系
自由能最低。
b.过饱和点缺陷：利用某些手段使晶体中形成的点缺陷浓度超过了热平衡 浓度，此时的点缺陷浓度成为过饱和点缺陷。体系自由能高，晶体处于 非热平衡状态。
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3.1 点缺陷 3.1.3 过饱和点缺陷的形成 某些手段：
• 高温淬火—高温时产生大量的空位，急剧冷却时被保留下来
• 冷加工—位错交割 • 高能辐照—原子被撞击，产生大量的空位和间隙原子。
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3.1 点缺陷 3.1.4 点缺陷对晶体性能的影响 （1）结构变化：晶格畸变（如空位引起晶格收缩，间隙原子引起晶格膨 胀，置换原子可引起收缩或膨胀。） （2）性能变化： 力学性能—影响较小 屈服强度提高 物理性能——影响较大 密度减小——空位的产生使体积增大 电阻率增大——缺陷区域对电子产生散射 比热容——形成点缺陷需要向晶体提供附加的能量
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3.1 点缺陷 3.1.1 点缺陷的形成 点缺陷是最简单的晶体缺陷，它是在结点上或邻近的微观区域内偏 离晶体结构的正常排列的一种缺陷。晶体点缺陷包括空位、间隙原子、 杂质或溶质原子，以及由它们组成的复杂点缺陷，如空位对、空位团和 空位-溶质原子对等。
空位和间隙原子是由于原子的热运动而产生的，属于热力学平衡缺陷。
点缺陷与线、面缺陷的区别之一是后者为热力学 不稳定的缺陷。
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3.1 点缺陷 3.1.1 点缺陷Fra Baidu bibliotek形成
一是迁移到晶体表面或内表面的正 常结点位置上，而使晶体内部留下 空位，称为肖脱基（Schottky）空 位；
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3.1 点缺陷 3.1.1 点缺陷的形成
二是挤人点阵的间隙位置，而在 晶体中同时形成数目相等的空位 和间隙原子，则称为弗兰克尔 （Frenkel）缺陷；
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3.2 线缺陷-位错 3.2.1 位错的基本类型和性质
类型的划分依据——位错线与位错滑移方向之间的相互关系 （1）刃型位错—位错线垂直于位错的滑移方向
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3.2 线缺陷-位错 3.2.1 位错的基本类型和性质 （1）刃型位错 刃型位错的基本特征： ① 存在一个对称的半原子面。即在完整的晶体中插入半个原子面而形 成的，半个原子面的边缘 EF即刃位错线，在EF处滑移面上下的
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3.2 线缺陷-位错
3.2.0 位错的提出 “位错”这个概念是在1934年提出的。是为了解释晶体在切应力作用下变形所 受的力，实验值大大低于理论值这个现象。随着科学技术的发展，在二十世纪五 十年代末科学家们已能从晶体生长情况判断出位错的存在（上图），并进而用透 射电子显微镜观察到了晶体中的位错（下图）。 完整晶体塑性变形─滑移的模型→金属晶体的理论强度→理论强度比实测强度 高出几个数量级（表）→ 晶体缺陷的设想─ 线缺陷（位错）的模型→ 以位错滑 移模型计算出的晶体强度，与实测值基本相符。
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3.1 点缺陷 3.1.1 点缺陷的形成
三是跑到其他空位中，使
空位消失或使空位移位。
另外，在一定条件下，晶
体表面上的原子也可能跑
到晶体内部的间隙位置形 成间隙原子
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3.1 点缺陷 3.1.2 点缺陷的平衡浓度 点缺陷形成的驱动力与温度有关，在一定的温度场下，能够使原子 离位形成点缺陷，那么点缺陷的数目会无限制增加吗？ 从理论上分析可以知道：一定温度下，点缺陷的数目是一定的，这就
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3.0 晶体缺陷的分类
按照缺陷区相对于晶体的大小，将晶体缺陷分为4类：
（1） 点缺陷 典型代表有空位与间隙原子等 点缺陷在三维空间各方向上的尺寸都很小，所以也称为零维缺陷。 如果晶格中某格点上的原子空缺了，则称为空位，这是晶体中最重要的点缺陷。 脱位原子有可能挤入格点的间隙位置，形成间隙原子。 （2） 线缺陷 即位错 线缺陷在两个方向上的尺寸都很小，在另一个方向上延伸较长，也称为一维 缺陷。 （3）面缺陷 如晶界、相界、孪晶界、堆垛层错等 面缺陷在两个方向上的尺寸都很大，在另一个方向上尺度较小，也称为二维 缺陷。 （4）体缺陷 如沉积相、孔洞、气泡等 体缺陷在三维空间各方向上的尺寸都很大，所以也称为三维缺陷。 这些缺陷在晶体中的浓度很低，但是对晶体性质的影响却很大。他们经常共 存，并相互联系，相互制约，在一定的条件下可以相互转化。
原子严重错配。
通常将多出的半原子面在滑移面上面的刃型位错称为正刃型位错，记为 将多出的半原子面在滑移面下面的刃型位错称为负刃型位错，记为
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3.2 线缺陷-位错 3.2.1 位错的基本类型和性质 （1）刃型位错 刃型位错的基本特征： ② 刃位错线可以理解为已滑移区和未 滑移区的分界线。可以是直线、折 线或曲线，但是必须与滑移方向垂 直，也垂直于滑移矢量。 滑移面必须是由位错线和滑移矢量 所确定的平面，在其他晶面上不能 产生滑移。滑移面唯一。
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3.2 线缺陷-位错
3.2.0 位错的提出
晶体的一部分区域发生了一个原子间距的滑移，另一部分不滑移，那么在以 滑移区和未滑移区的交界处的原子就不可能“对齐”，必然产生严重的“错配”， 这个原子错配的过渡区域，即为位错，这个区域的宽度只有几个或几十个原子间 距的宽度，长度可以达到晶体的宏观尺寸，故位错为一个线缺陷。