晶体缺陷及其应用

晶体缺陷及其应用

摘要

少量晶体缺陷对于晶体的物理性能能够产生重要影响，所以可以根据不同的晶体缺陷，开发利用其产生的影响，充分发挥可能产生的作用，研究并制备具有不同性能的材料，以适应人们不同的实际需要和时代的发展需求。

关键词

晶体缺陷性能铁磁性电阻半导体材料

引言

在讨论晶体结构时，我们认为晶体的结构是三维空间内周期有序的，其内部质

点按照一定的点阵结构排列。这是一种理想的完美晶体，它在现实中并不存在，只

作为理论研究模型。相反，偏离理想状态的不完整晶体，即有某些缺陷的晶体，具

有重要的理论研究意义和实际应用价值。所有的天然和人工晶体都不是理想的完整

晶体，它们的许多性质往往并不决定于原子的规则排列，而决定于不规则排列的晶

体缺陷。

晶体缺陷对晶体生长、晶体的力学性能、电学性能、磁学性能和光学性能等均

有着极大影响，在生产上和科研中都非常重要，是固体物理、固体化学、材料科学

等领域的重要基础内容。研究晶体缺陷因此具有了尤其重要的意义。本文着重对晶体缺陷及其对晶体的影响和应用进行阐述。

1.晶体缺陷的定义和分类

1.1 晶体缺陷的定义

在理想的晶体结构中，所有的原子、离子或分子都处于规则的点阵结构的位置上，也就是平衡位置上。1926 年Frenkel 首先指出，在任一温度下，实际晶体的原

子排列都不会是完整的点阵，即晶体中一些区域的原子的正规排列遭到破坏而失去

正常的相邻关系。我们把实际晶体中偏离理想完整点阵的部位或结构称为晶体缺陷（defects of crystals）[1]。

1.2 晶体缺陷的分类

1.2.1、按缺陷的几何形态分类可分为四类：点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷。

1.点缺陷（零维缺陷）：缺陷尺寸处于原子大小的数量级上，即三维方向上缺陷的尺寸

都很小。包括：空位（vacancy）、间隙原子（interstitial particle）、异类原子（foreign particle）。

点缺陷与材料的电学性质、光学性质、材料的高温动力学过程等有关。

2..线缺陷（一维缺陷）：指在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列所产生的缺陷，即缺陷尺寸在一维方向较长，另外二维方向上很短。线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性密切相关。

3.面缺陷：面缺陷又称为二维缺陷，是指在二维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列而产生的缺陷，即缺陷尺寸在二维方向上延伸，在第三维方向上很小。如晶界、相界、表面、堆积层错、镶嵌结构等。面缺陷的取向及分布与材料的断裂韧性有关。[2]

4.体缺陷

也称为三维缺陷，指晶体中在三维方向上相对尺度比较大的缺陷，和基质晶体

已经不属于同一物相，是异相缺陷。

固体材料中最基本和最重要的晶体缺陷是点缺陷，包括本征缺陷和杂质缺陷等。

1.2.2、按缺陷产生的原因分类：热缺陷、杂质缺陷、非化学计量缺陷、其它原因（如电荷缺陷，辐照缺陷等）。

1.热缺陷

定义:热缺陷亦称为本征缺陷，是指由热起伏的原因所产生的空位或间隙质点（原子或离子）。

类型:弗仑克尔缺陷（Frenkel defect）和肖脱基缺陷（Schottky defect）

热缺陷浓度与温度的关系:温度升高时，热缺陷浓度增加

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。

特征:如果杂质的含量在固溶体的溶解度范围内，则杂质缺陷的浓度与温度无关。

3.非化学计量缺陷

定义:指组成上偏离化学中的定比定律所形成的缺陷。它是由基质晶体与介质中的某些组分发生交换而产生。

特点:其化学组成随周围气氛的性质及其分压大小而变化。[3]

2.晶体缺陷对物理性能的影响

缺陷的存在破坏了晶体结构的完整，对其性能有严重影响。我们分别从一下个方面进行讨论。

2.1 晶体电阻缺陷与晶体电学性能

2．1．1 晶体电阻

电阻就其物理意义来说是表征电子在运动过程中它所处的状态被改变的几率。实际上位于晶体阵点上的原子(或离子实)是不断地振动着的，它与电子相互作用使电子状态发生改变，因此金属晶体有电阻，而且温度愈高电阻愈大。而由于晶体缺陷的存在使得离子偏离平衡位置，从而使晶体存在缺陷电阻。

2．1．2点缺陷电阻

缺陷根据其特性会从三方面影响晶体的周期场。(1)缺陷所在处的荷电量一般说来与基体离子的不同，故在缺陷附近形成了屏蔽场。(2)因杂质原子与基体原子大小不同或因空位形成而使周围原子发生位移，或因基体原子脱离点阵位置而成为间隙原子都会形成附加位一称为变型位。(3)即使替代原子与基体原子的原子价相同，原子大小相近，由于各自的原子位有差别，其附近的晶体周期场也会受到破坏。这些也都能产生相应的电阻。

此外还有位错电阻，但位错电阻至今尚未精确计算过，主要问题在于散射位的探求较困难。

2.2 缺陷与半导体性能

硅、锗等第4族元素的共价晶体绝对零度时为绝缘体，温度刀·高导电率增加但比金属的小得多，称这种晶体为半导体。晶体呈现半导体性能的根本原因是填满电子的最高能带与导带之间的禁带宽度很窄，温度升高部分电子可以从满带跃迁到导带成为传导电子。晶体的半导体性能决定于禁带宽度以及参与导电的载流子(电子或空穴)数目和它的迁移率。缺陷影响禁带宽度和载流子数目及迁移率，因而对晶体的半导体性能有严重影响。

2．2．1 缺陷对半导体晶体能阶的影响

硅和锗本征半导体的晶体结构为金刚石型。每个原子与四个近邻原子共价结合。杂

质原子的引入或空位的形成都改变了参与结合的共价电子数目，影响晶体的能价分布。

有时为了改善本征半导体的性能有意掺入一些三、五族元素形成掺杂半导体；而其他点缺陷如空位或除三，五族以外的别的杂质原子原则上也会形成附近能阶。位错对半导体性能影响很大，但目前只对金钢石结构的硅、锗中的位错了解得较多一点。2．2．2 缺陷对载流子数目的影响

点缺陷使能带的禁带区出现附加能阶，位错本身又会起悬浮键作用，它起着施主或受主的作用，另外位错俘获电子使载流子数目减少，所以半导体中实际载流子数目减少。

2.3 位错对铁磁性的影响

只有过渡族元素的一部分或其部分化合物是铁磁性材料。物质的铁磁性要经过外磁场的磁化作用表现出来。能量极小原理要求磁性物质是由磁矩取向各异的磁畴构成。

一般说来加工硬化降低磁场H的磁化作用，磁畴不可逆移动开始的磁场Ho (起始点的磁场强度)升高，而加工则使物质的饱和磁化强度降低。[4]

3. 晶体缺陷在半导体材料方面的应用

3. 1ZnO

过量的Zn 原子可以溶解在ZnO 晶体中，进入晶格的间隙位置，形成间隙型离

子缺陷，同时它把两个电子松弛地束缚在其周围，对外不表现出带电性。但这两个

电子是亚稳定的，很容易被激发到导带中去，成为准自由电子，使材料具有半导性。3. 2 Fe3O4

Fe3O4 晶体中，全部的Fe2+离子和1/2 量的Fe3+离子统计地分布在由氧离子密堆

所构成的八面体间隙中。因为在Fe2+ — Fe3+ — Fe2+ — Fe3+—……之间可以迁移，Fe3O4 是一种本征半导体[4]。

3. 3掺杂硅半导体

常温下硅的导电性能主要由杂质决定。在硅中掺入VA 族元素杂质（如P、As、Sb 等）后，这些VA 族杂质替代了一部分硅原子的位置，但由于它们的最外层有5个价电子，其中4 个与周围硅原子形成共价键，多余的一个价电子便成了可以导电的自由电子。这样一个VA 族杂质原子可以向半导体硅提供一个自由电子而本身成为带正电的离子，通常把这种杂质称为施主杂质。当硅中掺有施主杂质时，主要靠施主提供的电子导电，这种依靠电子导电的半导体被成为n 型半导体。

3.4 BaTiO3 半导瓷

在BaTiO3 陶瓷中，人们常常加入三价或五价杂质来取代Ba2+离子或Ti4+离子来形成n 型半导瓷。例如，从离子半径角度来考虑，一般使用的五价杂质元素的离子

半径是与Ti4+离子半径（0.064nm）相近的，如Nb5+=0.069nm，Sb5+=0.062nm，它们

容易替代Ti4+离子；或者使用三价元素，如La3+=0.122nm，Ce3+=0.118nm，

Nd3+=0.115nm，它们接近于Ba2+离子的半径（0.143nm），因而易于替代Ba2+离子[5]。由此可知，不管使用三价元素还是五价元素掺杂，结果大都形成高价离子取代，即

形成n 型半导体。

国内外学者对物质性能与缺陷的关系研究得相当多，它在包括激光、光电转换等许多方面都取得了可喜的进展，并有很好的应用前景。相信在作为21世纪科技高速发展的今天，晶体缺陷及其对晶体物理性质的影响必将能更大的发挥其功效，为材料领域带来可喜的成就与发展！