晶体中的缺陷和扩散
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固体物理讲稿
第十二章 晶体中的缺陷和扩散
完整晶体(理想晶体) 所有原子都规则排列 非完整晶体(实际晶体) 晶体中有各种 缺陷 在晶体中 原子的排列对严 格周期性的偏离 称为晶体的缺陷 缺陷影响晶体的性质 如强度 导电[例如在 105 个 Si 原子中有一个 B 硼 原子 Si 的电导率增大 1000 倍] 颜色 晶体生长 相变 晶体的缺陷并非总是坏事 研究晶体的缺陷 就是研究缺陷与晶体宏观性质 的关系 以及缺陷的分类 形成 运动 测量 控制 利用等
413
说明 对于一般情况 常温 常见晶体
空位较间隙原子易形成 热
缺陷只考虑 Schottky 缺陷和 Frenkel 缺陷就可以了 因空位多于间隙原子 如 80
个空位 30 个间隙原子 50 个 Schottky 缺陷 30 个 Frenkel 缺陷
二.线缺陷 位错
晶体周期性的破坏,发生在晶体内部一条线的附近,为线缺陷 最主要的线缺
或后退,轴线附近的原子,其排列与完整晶体不同,为螺位错 该轴线为螺位错
线 P.536 图 12-7, 12-8
[模型]
三.面缺陷 此类缺陷发生在晶体内部的二维曲面上
晶界(晶粒间界) ⎯ 单晶粒之间的界面 晶界一般是由少数层排列错乱的
原子所形成的面 晶界的效应是多方面的 如晶界的运动 大晶粒侵并小晶粒
411
固体物理讲稿
电子轰击 电解
* 极化子 ⎯ 进入完整晶体的电子使周围晶格发生畸变,它吸引正离子内移,
排斥负离子外移,从而产生极化 这种极化又趋于束缚电子 这种束缚称为电子的
自陷 作用 形象比喻 小铁球放在橡皮垫上 自陷电子在晶体中不断运动
着 这种携带着周围晶格的畸变而运动的电子 可视为一种准粒子 称为极化子
相变 易产生新相 扩散 导电 收容杂质原子 阻断位错线的滑移等
单晶体 ⎯ 整个晶体由单一的点阵组成 多晶体 ⎯ 许多单晶颗粒杂乱无章地
堆积而成的固体
小角晶界 ⎯ 两个单晶的相邻晶面成一小的角度 可以看成由一系列刃位
412
固体物理讲稿
错所组成 如图 书 P.538 图 12-10 θ b/D 或 D b/θ 其中 D 为两个位错
陷是位错 晶体的一部分相对另一部分发生滑移 滑移部分和未滑移部分的交界
处所形成的线缺陷
刃(型)位错 ⎯ 在晶体内部,某一晶面突然中断(就像刀劈入晶体一样)为刃
位错 中断线 好似刀刃 为刃位错线,记
[模型]
P.534 图 12-5(b)
螺(旋)位错 ⎯ 在晶体内部,若绕某一轴线在晶面上旋转,则会螺旋似的前进
线的平均距离 b 为原子间距 滑移矢量的大小
层错 (堆积缺陷) ⎯ 原子按层排列的次序,发生了错乱 如密排立方 又称
立方密排 即 fcc 本为
若排成
ABCABCABC ABCBCABC
中间少了一层 A 可看成中间夹杂了少量的
密排六方
若排成 ABCABACABC
中间多了一层 A
若排成 ABCABCBACBAC
热缺陷 由晶体原子的热运动(热起伏 热涨落)所产生的点缺陷
.肖特基(Schottky)缺陷 ⎯ 书 P.543
晶体表面产生一个空位 然后又扩散到晶体的内部 肖特基缺陷增多 晶体
的质量密度会有所减少
.夫仑克尔(Frenkel)缺陷 ⎯ 一个原子 从正常一个填隙原子
.间隙原子 ⎯ 晶体表面的原子 进入晶体内部的间隙位置
镜面对称 称为 孪晶
作业 补充题 1
王 4.1
求 [证] 在面心立方结构中
[为 r = 0.414 ] R
最大的间隙原子半径 r 与母体原子半径 R 之比
点缺陷 空位﹑间隙原子﹑杂质原子﹑*色心﹑*极化子 热缺陷 Schottky 缺 陷﹑Frenkel 缺陷 线缺陷 刃位错﹑螺位错 面缺陷 小角晶界﹑层错
§12.1 缺陷的主要类型
按几何形状分 主要有 点缺陷 线缺陷 面缺陷 体缺陷 按形成的原因或其他标准 热缺陷 辐照缺陷 工艺缺陷 材料缺陷 一.点缺陷 晶体周期性的破坏 发生在一个或几个晶格常数的尺度范围之内
点缺陷的主要类型 空位 ⎯ 正常格点上缺少一个原子 间隙原子 填隙原子 ⎯ 点阵的间隙挤进同种或不同种原子 杂质原子 ⎯ 少量别种原子进入晶体 又分间隙式杂质原子和代位式杂质 原子 例如 刚玉即白宝石(α-Al2O3)中,少量的铝离子 Al+++被铬离子 Cr+++替代而 形成红宝石 ⎯ 激光材料 1960 年世界上第一具激光器就由它制成 * 色心(Color center) ⎯ 能吸收光的点缺陷 其微观机制是 负正离子的空位 可以束缚电子或空穴,这些被束缚的电子或 空穴具有一定的分立能级 可以吸收或发射一定频率的光 具体细分又有 F心 (负 离子空位束缚一个电子),V 心(正离子空位束缚一个空穴),FA 心(F 心的六个最近邻离子 中的某一个被另一种碱金属离子所代换) M 心(两个相邻的 F 心) R 心(三个相邻 的 F心)等 人们使晶体形成色心 即 着色 的方法主要有 掺入化学杂质 引入 过量的金属离子(在碱金属蒸汽中加热,然后骤冷) 用 X 射线 γ射线 中子或
第十二章 晶体中的缺陷和扩散
完整晶体(理想晶体) 所有原子都规则排列 非完整晶体(实际晶体) 晶体中有各种 缺陷 在晶体中 原子的排列对严 格周期性的偏离 称为晶体的缺陷 缺陷影响晶体的性质 如强度 导电[例如在 105 个 Si 原子中有一个 B 硼 原子 Si 的电导率增大 1000 倍] 颜色 晶体生长 相变 晶体的缺陷并非总是坏事 研究晶体的缺陷 就是研究缺陷与晶体宏观性质 的关系 以及缺陷的分类 形成 运动 测量 控制 利用等
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说明 对于一般情况 常温 常见晶体
空位较间隙原子易形成 热
缺陷只考虑 Schottky 缺陷和 Frenkel 缺陷就可以了 因空位多于间隙原子 如 80
个空位 30 个间隙原子 50 个 Schottky 缺陷 30 个 Frenkel 缺陷
二.线缺陷 位错
晶体周期性的破坏,发生在晶体内部一条线的附近,为线缺陷 最主要的线缺
或后退,轴线附近的原子,其排列与完整晶体不同,为螺位错 该轴线为螺位错
线 P.536 图 12-7, 12-8
[模型]
三.面缺陷 此类缺陷发生在晶体内部的二维曲面上
晶界(晶粒间界) ⎯ 单晶粒之间的界面 晶界一般是由少数层排列错乱的
原子所形成的面 晶界的效应是多方面的 如晶界的运动 大晶粒侵并小晶粒
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固体物理讲稿
电子轰击 电解
* 极化子 ⎯ 进入完整晶体的电子使周围晶格发生畸变,它吸引正离子内移,
排斥负离子外移,从而产生极化 这种极化又趋于束缚电子 这种束缚称为电子的
自陷 作用 形象比喻 小铁球放在橡皮垫上 自陷电子在晶体中不断运动
着 这种携带着周围晶格的畸变而运动的电子 可视为一种准粒子 称为极化子
相变 易产生新相 扩散 导电 收容杂质原子 阻断位错线的滑移等
单晶体 ⎯ 整个晶体由单一的点阵组成 多晶体 ⎯ 许多单晶颗粒杂乱无章地
堆积而成的固体
小角晶界 ⎯ 两个单晶的相邻晶面成一小的角度 可以看成由一系列刃位
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固体物理讲稿
错所组成 如图 书 P.538 图 12-10 θ b/D 或 D b/θ 其中 D 为两个位错
陷是位错 晶体的一部分相对另一部分发生滑移 滑移部分和未滑移部分的交界
处所形成的线缺陷
刃(型)位错 ⎯ 在晶体内部,某一晶面突然中断(就像刀劈入晶体一样)为刃
位错 中断线 好似刀刃 为刃位错线,记
[模型]
P.534 图 12-5(b)
螺(旋)位错 ⎯ 在晶体内部,若绕某一轴线在晶面上旋转,则会螺旋似的前进
线的平均距离 b 为原子间距 滑移矢量的大小
层错 (堆积缺陷) ⎯ 原子按层排列的次序,发生了错乱 如密排立方 又称
立方密排 即 fcc 本为
若排成
ABCABCABC ABCBCABC
中间少了一层 A 可看成中间夹杂了少量的
密排六方
若排成 ABCABACABC
中间多了一层 A
若排成 ABCABCBACBAC
热缺陷 由晶体原子的热运动(热起伏 热涨落)所产生的点缺陷
.肖特基(Schottky)缺陷 ⎯ 书 P.543
晶体表面产生一个空位 然后又扩散到晶体的内部 肖特基缺陷增多 晶体
的质量密度会有所减少
.夫仑克尔(Frenkel)缺陷 ⎯ 一个原子 从正常一个填隙原子
.间隙原子 ⎯ 晶体表面的原子 进入晶体内部的间隙位置
镜面对称 称为 孪晶
作业 补充题 1
王 4.1
求 [证] 在面心立方结构中
[为 r = 0.414 ] R
最大的间隙原子半径 r 与母体原子半径 R 之比
点缺陷 空位﹑间隙原子﹑杂质原子﹑*色心﹑*极化子 热缺陷 Schottky 缺 陷﹑Frenkel 缺陷 线缺陷 刃位错﹑螺位错 面缺陷 小角晶界﹑层错
§12.1 缺陷的主要类型
按几何形状分 主要有 点缺陷 线缺陷 面缺陷 体缺陷 按形成的原因或其他标准 热缺陷 辐照缺陷 工艺缺陷 材料缺陷 一.点缺陷 晶体周期性的破坏 发生在一个或几个晶格常数的尺度范围之内
点缺陷的主要类型 空位 ⎯ 正常格点上缺少一个原子 间隙原子 填隙原子 ⎯ 点阵的间隙挤进同种或不同种原子 杂质原子 ⎯ 少量别种原子进入晶体 又分间隙式杂质原子和代位式杂质 原子 例如 刚玉即白宝石(α-Al2O3)中,少量的铝离子 Al+++被铬离子 Cr+++替代而 形成红宝石 ⎯ 激光材料 1960 年世界上第一具激光器就由它制成 * 色心(Color center) ⎯ 能吸收光的点缺陷 其微观机制是 负正离子的空位 可以束缚电子或空穴,这些被束缚的电子或 空穴具有一定的分立能级 可以吸收或发射一定频率的光 具体细分又有 F心 (负 离子空位束缚一个电子),V 心(正离子空位束缚一个空穴),FA 心(F 心的六个最近邻离子 中的某一个被另一种碱金属离子所代换) M 心(两个相邻的 F 心) R 心(三个相邻 的 F心)等 人们使晶体形成色心 即 着色 的方法主要有 掺入化学杂质 引入 过量的金属离子(在碱金属蒸汽中加热,然后骤冷) 用 X 射线 γ射线 中子或