3.1晶体结构缺陷的类型
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anion vacancy
Substitutional anion impurity
O2-
initial geometry
ClClO2- impurity
resulting geometry
8
2. 线缺陷(一维缺陷)位错 线缺陷(一维缺陷)位错(dislocation)
指在一维方向上偏离理想晶体中的周期性, 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, 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.如各种位错 向较长,另外二维方向上很短.如各种位错 (dislocation),如图所示. ),如 所示. ), 线缺陷的产生及运动与材料的韧性, 线缺陷的产生及运动与材料的韧性,脆性密 切相关. 切相关.
面缺陷- 面缺陷-堆积层错 面心立方晶体中的抽出型层错(a)和插入型层错 和插入型层错(b) 面心立方晶体中的抽出型层错 和插入型层错
面缺陷- 面缺陷-共格晶面 面心立方晶体中{111}面反映孪晶 面心立方晶体中 面反映孪晶
二 按缺陷产生的原因分类
晶体缺陷 辐照缺陷 杂质缺陷
电荷缺陷
热缺陷
非化学计量缺陷
本章主要内容: 本章主要内容:
§2.1 晶体结构缺陷的类型 . §2. 2 点缺陷 §2.3 线缺陷 . §2.4 面缺陷 . §2.5 固溶体 . §2.6 非化学计量化合物 .
本章要求掌握的主要内容: 本章要求掌握的主要内容:
掌握缺陷的基本概念,分类方法; 掌握缺陷的基本概念,分类方法; 掌握缺陷的类型,含义及其特点; 掌握缺陷的类型,含义及其特点; 熟练书写点缺陷的缺陷反应方程式, 熟练书写点缺陷的缺陷反应方程式,化学平衡方
法计算热缺陷的浓度;
了解缺陷在材料性能的改善,新型材料的设计, 了解缺陷在材料性能的改善,新型材料的设计, 研究与开发中的意义. 研究与开发中的意义.
2.1 晶体结构缺陷的类型
分类方式: 分类方式:
几何形态:点缺陷,线缺陷, 几何形态:点缺陷,线缺陷,面缺陷等 形成原因:热缺陷,杂质缺陷, 形成原因:热缺陷,杂质缺陷,非化学计量缺陷等
能量效应
体积效应
取代式
基质原子 基质原子 杂质原子
杂质原子
间隙式
体积效应
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 定义 指组成上偏离化学中的定比定律所形成的缺陷. 由基质晶体与介质中的某些组分发生交换而产生. 由基质晶体与介质中的某些组分发生交换而产生.如Fe1 等晶体中的缺陷. , 等晶体中的缺陷 -xO,Zn1+xO等晶体中的缺陷. 特点: 其化学组成随周围气氛的性质及其分压大小而变化. 气氛的性质及其分压大小而变化 特点 其化学组成随周围气氛的性质及其分压大小而变化. 是一种半导体材料. 是一种半导体材料.
1. 热缺陷
定义:热缺陷亦称为本征缺陷, 定义 热缺陷亦称为本征缺陷,是指由热起伏的原因所产生 热缺陷亦称为本征缺陷 的空位或间隙质点(原子或离子). 的空位或间隙质点(原子或离子). 类型:弗仑克尔缺陷 弗仑克尔缺陷( 类型 弗仑克尔缺陷(Frenkel defect)和肖特基缺陷 ) defect) (Schottky defect) T E 热起伏(涨落 热起伏 涨落) 涨落 E原子 > E平均 在原来位置上产生一个空位 在原来位置上产生一个空位
Impurities must also satisfy charge balance Ex: NaCl
Na+
Clcation vacancy
Substitutional cation impurity
Ca2+ Na+ Na+ initial geometry Ca2+ impurity
பைடு நூலகம்
Ca2+ resulting geometry
间隙小/结构紧凑 ② 表面位置 (间隙小 结构紧凑 间隙小 结构紧凑)
M X:
Frenkel 缺陷
Schottky 缺陷
2. 杂质缺陷
亦称为组成缺陷, 定义:亦称为组成缺陷 是由外加杂质的引入所产生的缺陷. 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, 特征 如果杂质的含量在固溶体的溶解度范围内,则杂质 如果杂质的含量在固溶体的溶解度范围内 缺陷的浓度与温度无关. 缺陷的浓度与温度无关. 杂质缺陷对材料性能的影响
-"extra" atoms positioned between atomic sites.
distortion of planes
selfinterstitial
Rare
Impurities In Solids
Two outcomes if impurity (B) added to host (A):
第二章 晶体结构缺陷
缺陷的含义: 缺陷的含义:通常把晶体点阵结构中周期性势场的畸变称为 晶体的结构缺陷 结构缺陷. 晶体的结构缺陷. 理想晶体:质点严格按照空间点阵排列. 理想晶体:质点严格按照空间点阵排列. 实际晶体:存在着各种各样的结构的不完整性. 实际晶体:存在着各种各样的结构的不完整性. 研究缺陷的意义:由于缺陷的存在, 研究缺陷的意义:由于缺陷的存在,才使晶体表现出各种 各样的性质,使材料加工, 各样的性质,使材料加工,使用过程中的各种性能得以有 效控制和改变, 效控制和改变,使材料性能的改善和复合材料的制备得以 实现.因此,了解缺陷的形成及其运动规律, 实现.因此,了解缺陷的形成及其运动规律,对材料工艺 过程的控制,对材料性能的改善,对于新型材料的设计, 过程的控制,对材料性能的改善,对于新型材料的设计, 缺陷对材料性能的影响举例: 缺陷对材料性能的影响举例 研究与开发具有重要意义. 研究与开发具有重要意义. 材料的强化,如钢——是铁中渗碳 材料的强化,如钢 是铁中渗碳 陶瓷材料的增韧 半导体掺杂
Now What Do You See?
Interstitial
Vacancy
Point Defects
Vacancies:
-vacant atomic sites in a structure.
Vacancy
distortion of planes
Common Self-Interstitials:
面缺陷- 面缺陷-晶界
晶界示意图
亚晶界示意图
晶界: 晶界是两相邻晶粒间的过渡界面. 晶界 晶界是两相邻晶粒间的过渡界面.由于相邻晶粒 间彼此位向各不相同,故晶界处的原子排列与晶内不同, 间彼此位向各不相同,故晶界处的原子排列与晶内不同, 它们因同时受到相邻两侧晶粒不同位向的综合影响, 它们因同时受到相邻两侧晶粒不同位向的综合影响,而做 无规则排列或近似于两者取向的折衷位置的排列, 无规则排列或近似于两者取向的折衷位置的排列,这就形 成了晶体中的重要的面缺陷. 成了晶体中的重要的面缺陷. 亚晶界: 实验表明, 亚晶界 实验表明,在实际金属的一个晶粒内部晶格位 向也并非一致,而是存在一些位向略有差异的小晶块( 向也并非一致,而是存在一些位向略有差异的小晶块(位 向差一般不超过2° .这些小晶块称为亚结构. 向差一般不超过 °).这些小晶块称为亚结构.亚结构之 间的界面称为亚晶界. 间的界面称为亚晶界.
4. 其它原因,如电荷缺陷,辐照缺陷等 其它原因,如电荷缺陷,
电荷缺陷:质点排列的周期性未受到破坏, 电荷缺陷:质点排列的周期性未受到破坏,但因电子或空穴 的产生,使周期性势场发生畸变而产生的缺陷; 的产生,使周期性势场发生畸变而产生的缺陷; 包括: 包括:导带电子和价带空穴 辐照缺陷:材料在辐照下所产生的结构不完整性; 辐照缺陷:材料在辐照下所产生的结构不完整性; 色心,位错环等; 如:色心,位错环等; 辐照缺陷对金属的影响:高能辐照(如中子辐照), ),可把原子从正常格点 辐照缺陷对金属的影响:高能辐照(如中子辐照),可把原子从正常格点 位置撞击出来,产生间隙原子和空位. 位置撞击出来,产生间隙原子和空位. 降低金属的导电性并使材料由韧变硬变脆.退火可排除损失. 降低金属的导电性并使材料由韧变硬变脆.退火可排除损失. 辐照缺陷对非金属晶体的影响:在非金属晶体中, 辐照缺陷对非金属晶体的影响:在非金属晶体中,由于电子激发态可以局 域化且能保持很长的时间,所以电离辐照会使晶体严重损失, 域化且能保持很长的时间,所以电离辐照会使晶体严重损失,产生大量的 点缺陷. 点缺陷. 不改变力学性质,但导热性和光学性质可能变坏. 不改变力学性质,但导热性和光学性质可能变坏. 辐照缺陷对高分子聚合物的影响:可改变高分子聚合物的结构,链接断裂, 辐照缺陷对高分子聚合物的影响:可改变高分子聚合物的结构,链接断裂, 聚合度降低,引起分键,导致高分子聚合物强度降低. 聚合度降低,引起分键,导致高分子聚合物强度降低.
�
刃型位错
刃型位错示意图:(a)立体模型;(b)平面图 刃型位错示意图:(a)立体模型;(b)平面图 立体模型;(b)
G
H
F
E
晶体局部滑移造成的刃型位错
螺型位错
C
D
C D
B
A
B
A
(a )
(b)
螺型位错示意图: ;(b 螺型位错示意图:(a)立体模型 ;(b)平面图
螺型位错示意图
3.面缺陷 面缺陷
原子脱离其平衡位置 原子脱离其平衡位置
热缺陷浓度与温度的关系:温度升高时, 热缺陷浓度与温度的关系 温度升高时,热缺陷浓度增加 温度升高时
(a)单质中弗仑克尔缺陷的形 ) 空位与间隙质点成对出现) 成(空位与间隙质点成对出现)
(b)单质中的肖特基缺陷的 ) 形成
热缺陷产生示意图
结构空隙大) ① 间隙位置 (结构空隙大 结构空隙大
Solid solution of B in A (i.e., random dist. of point defects)
OR
Substitutional alloy (e.g., Cu in Ni) Interstitial alloy (e.g., C in Fe)
Impurities in Ceramics
面缺陷又称为二维缺陷, 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, 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,表面, 在二维方向上延伸,在第三维方向上很小.如晶界,表面, 堆积层错,镶嵌结构等. 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. 面缺陷的取向及分布与材料的断裂韧性有关.
一,按缺陷的几何形态分类
点缺陷 零维缺陷 线缺陷 一维缺陷 面缺陷 二维缺陷
位错
小角度晶界,大角度晶界 小角度晶界, 挛晶界面 堆垛层错 包藏杂质
本征缺陷 杂质缺陷
体缺陷 三维缺陷
沉淀 空洞
1. 点缺陷(零维缺陷) Point Defect 点缺陷(零维缺陷)
缺陷尺寸处于原子大小的数量级上, 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. 陷的尺寸都很小. 包括:空位( 包括:空位(vacancy) ) 间隙质点( 间隙质点(interstitial particle) ) 错位原子或离子 外来原子或离子(杂质质点) 外来原子或离子(杂质质点)(foreign particle) ) 双空位等复合体 点缺陷与材料的电学性质,光学性质, 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. 过程等有关.
Substitutional anion impurity
O2-
initial geometry
ClClO2- impurity
resulting geometry
8
2. 线缺陷(一维缺陷)位错 线缺陷(一维缺陷)位错(dislocation)
指在一维方向上偏离理想晶体中的周期性, 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, 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.如各种位错 向较长,另外二维方向上很短.如各种位错 (dislocation),如图所示. ),如 所示. ), 线缺陷的产生及运动与材料的韧性, 线缺陷的产生及运动与材料的韧性,脆性密 切相关. 切相关.
面缺陷- 面缺陷-堆积层错 面心立方晶体中的抽出型层错(a)和插入型层错 和插入型层错(b) 面心立方晶体中的抽出型层错 和插入型层错
面缺陷- 面缺陷-共格晶面 面心立方晶体中{111}面反映孪晶 面心立方晶体中 面反映孪晶
二 按缺陷产生的原因分类
晶体缺陷 辐照缺陷 杂质缺陷
电荷缺陷
热缺陷
非化学计量缺陷
本章主要内容: 本章主要内容:
§2.1 晶体结构缺陷的类型 . §2. 2 点缺陷 §2.3 线缺陷 . §2.4 面缺陷 . §2.5 固溶体 . §2.6 非化学计量化合物 .
本章要求掌握的主要内容: 本章要求掌握的主要内容:
掌握缺陷的基本概念,分类方法; 掌握缺陷的基本概念,分类方法; 掌握缺陷的类型,含义及其特点; 掌握缺陷的类型,含义及其特点; 熟练书写点缺陷的缺陷反应方程式, 熟练书写点缺陷的缺陷反应方程式,化学平衡方
法计算热缺陷的浓度;
了解缺陷在材料性能的改善,新型材料的设计, 了解缺陷在材料性能的改善,新型材料的设计, 研究与开发中的意义. 研究与开发中的意义.
2.1 晶体结构缺陷的类型
分类方式: 分类方式:
几何形态:点缺陷,线缺陷, 几何形态:点缺陷,线缺陷,面缺陷等 形成原因:热缺陷,杂质缺陷, 形成原因:热缺陷,杂质缺陷,非化学计量缺陷等
能量效应
体积效应
取代式
基质原子 基质原子 杂质原子
杂质原子
间隙式
体积效应
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 定义 指组成上偏离化学中的定比定律所形成的缺陷. 由基质晶体与介质中的某些组分发生交换而产生. 由基质晶体与介质中的某些组分发生交换而产生.如Fe1 等晶体中的缺陷. , 等晶体中的缺陷 -xO,Zn1+xO等晶体中的缺陷. 特点: 其化学组成随周围气氛的性质及其分压大小而变化. 气氛的性质及其分压大小而变化 特点 其化学组成随周围气氛的性质及其分压大小而变化. 是一种半导体材料. 是一种半导体材料.
1. 热缺陷
定义:热缺陷亦称为本征缺陷, 定义 热缺陷亦称为本征缺陷,是指由热起伏的原因所产生 热缺陷亦称为本征缺陷 的空位或间隙质点(原子或离子). 的空位或间隙质点(原子或离子). 类型:弗仑克尔缺陷 弗仑克尔缺陷( 类型 弗仑克尔缺陷(Frenkel defect)和肖特基缺陷 ) defect) (Schottky defect) T E 热起伏(涨落 热起伏 涨落) 涨落 E原子 > E平均 在原来位置上产生一个空位 在原来位置上产生一个空位
Impurities must also satisfy charge balance Ex: NaCl
Na+
Clcation vacancy
Substitutional cation impurity
Ca2+ Na+ Na+ initial geometry Ca2+ impurity
பைடு நூலகம்
Ca2+ resulting geometry
间隙小/结构紧凑 ② 表面位置 (间隙小 结构紧凑 间隙小 结构紧凑)
M X:
Frenkel 缺陷
Schottky 缺陷
2. 杂质缺陷
亦称为组成缺陷, 定义:亦称为组成缺陷 是由外加杂质的引入所产生的缺陷. 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, 特征 如果杂质的含量在固溶体的溶解度范围内,则杂质 如果杂质的含量在固溶体的溶解度范围内 缺陷的浓度与温度无关. 缺陷的浓度与温度无关. 杂质缺陷对材料性能的影响
-"extra" atoms positioned between atomic sites.
distortion of planes
selfinterstitial
Rare
Impurities In Solids
Two outcomes if impurity (B) added to host (A):
第二章 晶体结构缺陷
缺陷的含义: 缺陷的含义:通常把晶体点阵结构中周期性势场的畸变称为 晶体的结构缺陷 结构缺陷. 晶体的结构缺陷. 理想晶体:质点严格按照空间点阵排列. 理想晶体:质点严格按照空间点阵排列. 实际晶体:存在着各种各样的结构的不完整性. 实际晶体:存在着各种各样的结构的不完整性. 研究缺陷的意义:由于缺陷的存在, 研究缺陷的意义:由于缺陷的存在,才使晶体表现出各种 各样的性质,使材料加工, 各样的性质,使材料加工,使用过程中的各种性能得以有 效控制和改变, 效控制和改变,使材料性能的改善和复合材料的制备得以 实现.因此,了解缺陷的形成及其运动规律, 实现.因此,了解缺陷的形成及其运动规律,对材料工艺 过程的控制,对材料性能的改善,对于新型材料的设计, 过程的控制,对材料性能的改善,对于新型材料的设计, 缺陷对材料性能的影响举例: 缺陷对材料性能的影响举例 研究与开发具有重要意义. 研究与开发具有重要意义. 材料的强化,如钢——是铁中渗碳 材料的强化,如钢 是铁中渗碳 陶瓷材料的增韧 半导体掺杂
Now What Do You See?
Interstitial
Vacancy
Point Defects
Vacancies:
-vacant atomic sites in a structure.
Vacancy
distortion of planes
Common Self-Interstitials:
面缺陷- 面缺陷-晶界
晶界示意图
亚晶界示意图
晶界: 晶界是两相邻晶粒间的过渡界面. 晶界 晶界是两相邻晶粒间的过渡界面.由于相邻晶粒 间彼此位向各不相同,故晶界处的原子排列与晶内不同, 间彼此位向各不相同,故晶界处的原子排列与晶内不同, 它们因同时受到相邻两侧晶粒不同位向的综合影响, 它们因同时受到相邻两侧晶粒不同位向的综合影响,而做 无规则排列或近似于两者取向的折衷位置的排列, 无规则排列或近似于两者取向的折衷位置的排列,这就形 成了晶体中的重要的面缺陷. 成了晶体中的重要的面缺陷. 亚晶界: 实验表明, 亚晶界 实验表明,在实际金属的一个晶粒内部晶格位 向也并非一致,而是存在一些位向略有差异的小晶块( 向也并非一致,而是存在一些位向略有差异的小晶块(位 向差一般不超过2° .这些小晶块称为亚结构. 向差一般不超过 °).这些小晶块称为亚结构.亚结构之 间的界面称为亚晶界. 间的界面称为亚晶界.
4. 其它原因,如电荷缺陷,辐照缺陷等 其它原因,如电荷缺陷,
电荷缺陷:质点排列的周期性未受到破坏, 电荷缺陷:质点排列的周期性未受到破坏,但因电子或空穴 的产生,使周期性势场发生畸变而产生的缺陷; 的产生,使周期性势场发生畸变而产生的缺陷; 包括: 包括:导带电子和价带空穴 辐照缺陷:材料在辐照下所产生的结构不完整性; 辐照缺陷:材料在辐照下所产生的结构不完整性; 色心,位错环等; 如:色心,位错环等; 辐照缺陷对金属的影响:高能辐照(如中子辐照), ),可把原子从正常格点 辐照缺陷对金属的影响:高能辐照(如中子辐照),可把原子从正常格点 位置撞击出来,产生间隙原子和空位. 位置撞击出来,产生间隙原子和空位. 降低金属的导电性并使材料由韧变硬变脆.退火可排除损失. 降低金属的导电性并使材料由韧变硬变脆.退火可排除损失. 辐照缺陷对非金属晶体的影响:在非金属晶体中, 辐照缺陷对非金属晶体的影响:在非金属晶体中,由于电子激发态可以局 域化且能保持很长的时间,所以电离辐照会使晶体严重损失, 域化且能保持很长的时间,所以电离辐照会使晶体严重损失,产生大量的 点缺陷. 点缺陷. 不改变力学性质,但导热性和光学性质可能变坏. 不改变力学性质,但导热性和光学性质可能变坏. 辐照缺陷对高分子聚合物的影响:可改变高分子聚合物的结构,链接断裂, 辐照缺陷对高分子聚合物的影响:可改变高分子聚合物的结构,链接断裂, 聚合度降低,引起分键,导致高分子聚合物强度降低. 聚合度降低,引起分键,导致高分子聚合物强度降低.
�
刃型位错
刃型位错示意图:(a)立体模型;(b)平面图 刃型位错示意图:(a)立体模型;(b)平面图 立体模型;(b)
G
H
F
E
晶体局部滑移造成的刃型位错
螺型位错
C
D
C D
B
A
B
A
(a )
(b)
螺型位错示意图: ;(b 螺型位错示意图:(a)立体模型 ;(b)平面图
螺型位错示意图
3.面缺陷 面缺陷
原子脱离其平衡位置 原子脱离其平衡位置
热缺陷浓度与温度的关系:温度升高时, 热缺陷浓度与温度的关系 温度升高时,热缺陷浓度增加 温度升高时
(a)单质中弗仑克尔缺陷的形 ) 空位与间隙质点成对出现) 成(空位与间隙质点成对出现)
(b)单质中的肖特基缺陷的 ) 形成
热缺陷产生示意图
结构空隙大) ① 间隙位置 (结构空隙大 结构空隙大
Solid solution of B in A (i.e., random dist. of point defects)
OR
Substitutional alloy (e.g., Cu in Ni) Interstitial alloy (e.g., C in Fe)
Impurities in Ceramics
面缺陷又称为二维缺陷, 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, 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,表面, 在二维方向上延伸,在第三维方向上很小.如晶界,表面, 堆积层错,镶嵌结构等. 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. 面缺陷的取向及分布与材料的断裂韧性有关.
一,按缺陷的几何形态分类
点缺陷 零维缺陷 线缺陷 一维缺陷 面缺陷 二维缺陷
位错
小角度晶界,大角度晶界 小角度晶界, 挛晶界面 堆垛层错 包藏杂质
本征缺陷 杂质缺陷
体缺陷 三维缺陷
沉淀 空洞
1. 点缺陷(零维缺陷) Point Defect 点缺陷(零维缺陷)
缺陷尺寸处于原子大小的数量级上, 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. 陷的尺寸都很小. 包括:空位( 包括:空位(vacancy) ) 间隙质点( 间隙质点(interstitial particle) ) 错位原子或离子 外来原子或离子(杂质质点) 外来原子或离子(杂质质点)(foreign particle) ) 双空位等复合体 点缺陷与材料的电学性质,光学性质, 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. 过程等有关.