第五章 晶体生长与晶体缺陷2综述

§5.8 点缺陷
1.点缺陷
在三维空间各方向上尺寸都很小，在原子尺寸大小的晶体缺陷。
2.点缺陷的类型
1) 空位
晶格结点位置应有原子的地方空缺，这种缺 陷称为“空位”。
2）间隙原子
在晶格非结点位置，往往是晶格的间隙，出 现了多余的原子。它们可能是同类原子， 也可能是异类原子。
3）异类原子
在一种类型的原子组成的晶格中，不同种类 的原子替换原有的原子占有其应有的位置。
2) 加快原子的扩散迁移 空位可作为原子运动的周转站。
3) 形成其他晶体缺陷 过饱和的空位可集中形成内部的空洞，集 中一片的塌陷形成位错。
4) 改变材料的力学性能 空位移动到位错处可造成刃位错的攀移， 间隙原子和异类原子的存在会增加位错的运动阻力。会使强度 提高，塑性下降
§5.9 线缺陷
1 线缺陷：在三维空间的一个方向上的尺寸很大(晶粒数量
*1019 J / K *1273K
2.2 *1025
空位平衡浓度为 n
N
2.2 *10 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ5 8.0 *10 28
2.75 *10 4
5、点缺陷对材料性能的影响
原因：无论那种点缺陷的存在，都会使其附近的原子稍微偏离原结点位
置才能平衡，即造成小区域的晶格畸变。
效果
1) 提高材料的电阻 定向流动的电子在点缺陷处受到非平衡力(陷 阱)，增加了阻力，加速运动提高局部温度(发热)。
空位的出现提高了体系的熵值
在一摩尔的晶体中如存在n个空位，晶体中有N=6.023X1023 个晶格位置，这时空位的浓度为x=n/N，系统熵值为：
设每个空位的形成能为u，空位浓度为x时自由 能的变化为：
空位的平衡浓度与温度和 形成能之间成指数关系
例，Cu的空位形成能为0.9ev，相对原子质量为63.5，1000℃ 时的密度为8.4g/cm3，试求Cu在1000 ℃时每立方米的平衡空 位数。
解：1）计算每立方米Cu原子数N, 即
N
（6.023*1023
8.4g *10-6 m3
*1m3
*
1 63.5
8.0*102（8 个）
2）计算1000℃时的平衡空位数n，即
n
Nexp
0.9ev 1.38065*1023 J / K
*1273K
Nexp
0.9*1.602 1.38065*1023 J
(2)大角度晶界 晶界两侧 的晶粒位向差较大，不能用 位错模型。关于大角度晶界 的结构说法不一，晶界可视 为2—3(5)个原子的过渡层， 这部分的原子排列尽管有其 规律，但排列复杂，暂以相 对无序来理解。
§5.10 面缺陷
面缺陷：在三维空间的两个方向上的尺寸很大(晶粒数量级)，
另外一个方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶体缺陷。
1.晶界：晶界就是空间取向(或位向)不同的相邻晶粒之间的分界 面。根据晶界两侧晶粒的位向差不同,分为两大类：
(1)小角度晶界 晶界两侧 的晶粒位向差很小。可看 成是一系列刃位错排列成 墙，晶界中位错排列愈密， 则位向差愈大。
实际的晶体结构
1 单晶体:
一块晶体材料，其内部的 晶体位向完全一致时，即整个 材料是一个晶体，这块晶体就 称之为“单晶体”，实用材料 中如半导体集成电路用的单晶 硅和一些供研究用的材料。
2 多晶体:
实际应用的工程材料中， 哪怕是一块尺寸很小材料， 绝大多数包含着许许多多的 小晶体，每个小晶体的内部， 晶格位向是均匀一致的，而 各个小晶体之间，彼此的位 向却不相同。称这种由多个 小晶体组成的晶体结构称之 为“多晶体”。
3、点缺陷的形成
弗仑克耳缺陷：原子离开平衡位置进入间隙，形成等量的空 位和间隙原子。
肖特基缺陷：只形成空位不形成间隙原子。（构成新的晶面）
4、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，此浓度称为点缺陷的平衡浓度。
空位形成能 空位的出现破坏了其周围的结合状态，因而造成局部能量的升 高，由空位的出现而高于没有空位时的那一部分能量称为“空 位形成能”。
级)，另外两个方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶体缺 陷。其具体形式就是晶体中的位错 2 位错的原子模型
将晶体的上半部分向左移动一个原子间距，再按原子的结合方式连 接起来(b)。除分界线附近的一管形区域例外，其他部分基本都是完好的 晶体。在分界线的上方将多出半个原子面，这就是刃型位错。
平面模型
刃位错类型
位错线的长度： Lv=L/VT
(5.25)
式中， VT为测试体积，L为测试体积中位错线的总长度，Lv的 量纲为[L]-2，如cm-2。
4、位错的观察
位错在晶体表面的露头 抛光后的试样在 薄膜透射电镜观察 将试样减 侵蚀时，由于易侵蚀而出现侵蚀坑，其特 薄到几十到数百个原子层 点是坑为规则的多边型且排列有一定规律。 (500nm以下)，利用透射电镜进 只能在晶粒较大，位错较少时才有明显效 行观察，可见到位错线。 果。
晶体缺陷按范围分类：
1. 点缺陷 在三维空间各方向上尺寸都很小，在原子尺寸 大小的晶体缺陷。
2. 线缺陷 在三维空间的一个方向上的尺寸很大(晶粒数量 级)，另外两个方向上的尺寸很小(原子尺寸大小) 的晶体缺陷。其具体形式就是晶体中的位错。
3. 面缺陷
在三维空间的两个方向上的尺寸很大(晶粒数量级)，另 外一个方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶体缺陷。
1）晶粒
多晶体材料中每个小晶体 的外形多为不规则的颗粒状， 通常把它们叫做“晶粒”。
2）晶界
晶粒与晶粒之间的分界面叫 “晶粒间界”，或简称“晶 界”。为了适应两晶粒间不同 晶格位向的过渡，在晶界处的 原子排列总是不规则的。
晶体中的缺陷概论
晶体缺陷：即使在每个晶粒的内部，也并不完 全象晶体学中论述的(理想晶体)那样，原子完 全呈周期性的规则重复的排列。把实际晶体中 原子排列与理想晶体的差别称为晶体缺陷。晶 体中的缺陷的数量相当大，但因原子的数量很 多，在晶体中占有的比例还是很少，材料总体 具有晶体的相关性能特点，而缺陷的数量将给 材料的性能带来巨大的影响。
2、位错的原子模型
若将晶体的上半部分向后 移动一个原子间距，再按原子 的结合方式连接起来(c)，同样 除分界线附近的一管形区域例 外，其他部分基本也都是完好 的晶体。而在分界线的区域形 成一螺旋面，这就是螺型位错。
位错的形式 ：刃位错和螺位错
3.位错的密度与分布
晶体中位错的数量常用位错密度LV表示，即单位体积中