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第四章第四章 缺陷缺陷本讲稿第一页，共二十三页vv第四章内容提要 vv1 1、点缺陷及点缺陷的运动点缺陷及点缺陷的运动：空位、间隙原子、替位原子：空位、间隙原子、替位原子 vv2 2、线线缺缺陷陷及及位位错错运运动动：刃刃型型位位错错、螺螺型型位位错错、混混合合型型位错；位错；vv3 3、面缺陷面缺陷：层错、表面、晶界和孪晶缺陷；：层错、表面、晶界和孪晶缺陷；vv4 4、体缺陷体缺陷：空隙与析出物。：空隙与析出物。本讲稿第二页，共二十三页概 述vv 前前面面章章节节都都是是就就理理想想状状态态的的完完整整晶晶体体而而言言，即即晶晶体体中中所所有有的的原原子子都都在在各各自自的的平平衡衡位位置置，处处于于能能量量最最低低状状态态。然然而而在在实实际际晶晶体体中中原原子子的的排排列列不不可可能能这这样样规规则则和和完完整整，而而是是或或多多或或少少地地存存在在离离开开理理想想的的区区域域，出出现现不不完完整整性性。正正如如我我们们日日常常生生活活中中见见到到玉玉米米棒棒上上玉玉米米粒粒的的分分布布。通通常常把把这这种种偏偏离离完完整整性性的的区域称为区域称为晶体缺陷。晶体缺陷。本讲稿第三页，共二十三页 晶体结构缺陷与固体的电学性质、机械强度、扩散、烧结、晶体结构缺陷与固体的电学性质、机械强度、扩散、烧结、化学反应性、非化学计量化合物组成等性能都密切相关。因而掌握化学反应性、非化学计量化合物组成等性能都密切相关。因而掌握晶体结构缺陷的知识是掌握材料科学的基础。晶体结构缺陷的知识是掌握材料科学的基础。理想晶体示意图理想晶体示意图晶体缺陷示意图晶体缺陷示意图理想晶体理想晶体理想晶体理想晶体：质点严格按照空间点阵排列。：质点严格按照空间点阵排列。：质点严格按照空间点阵排列。：质点严格按照空间点阵排列。晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷：实际晶体中偏离理想完整点阵的部位或结构：实际晶体中偏离理想完整点阵的部位或结构：实际晶体中偏离理想完整点阵的部位或结构：实际晶体中偏离理想完整点阵的部位或结构间隙原子间隙原子空位空位本讲稿第四页，共二十三页vv晶体缺陷按作用范围和几何形状分：晶体缺陷按作用范围和几何形状分：晶体缺陷按作用范围和几何形状分：晶体缺陷按作用范围和几何形状分：1 1、点缺陷点缺陷零维缺陷零维缺陷：空位、间隙原子、杂质原子：空位、间隙原子、杂质原子 vv2 2、线线缺缺陷陷一一维维缺缺陷陷：刃刃型型位位错错、螺螺型型位位错错、混混合合型型位位错；错；vv3 3、面面缺缺陷陷二二维维缺缺陷陷：层层错错、表表面面、晶晶界界和和孪孪晶晶缺缺陷；陷；vv4 4、体缺陷体缺陷三维缺陷三维缺陷：空隙与析出物。：空隙与析出物。本讲稿第五页，共二十三页 缺缺缺缺陷陷陷陷尺尺尺尺寸寸寸寸处处处处于于于于原原原原子子子子大大大大小小小小的的的的数数数数量量量量级级级级上上上上，包包包包括括括括：空空空空位位位位、间间间间隙隙隙隙质质质质点点点点、杂质质点。杂质质点。杂质质点。杂质质点。主要特征是在各个方向上都没有延伸，只是在某一个点上的缺陷。主要特征是在各个方向上都没有延伸，只是在某一个点上的缺陷。主要特征是在各个方向上都没有延伸，只是在某一个点上的缺陷。主要特征是在各个方向上都没有延伸，只是在某一个点上的缺陷。点点点点缺缺缺缺陷陷陷陷与与与与材材材材料料料料的的的的电电电电学学学学性性性性质质质质、光光光光学学学学性性性性质质质质、材材材材料料料料的的的的高高高高温温温温动动动动力力力力学学学学过过过过程程程程等等等等有有有有关关关关。一一一一般般般般情情情情况况况况下下下下，随随随随着着着着温温温温度度度度升升升升高高高高，这这这这种种种种缺缺缺缺陷陷陷陷原原原原子子子子数数数数目目目目也也也也增增增增多多多多 。1点缺陷点缺陷本讲稿第六页，共二十三页弗仑克尔缺陷弗仑克尔缺陷 肖特基缺陷肖特基缺陷 肖特基缺陷空位：肖特基缺陷空位：原子离开晶体（蒸发了）留下的空位。原子离开晶体（蒸发了）留下的空位。弗仑克尔空位弗仑克尔空位：形成空位和间隙原子对。：形成空位和间隙原子对。（1 1）空位空位：由于某种原因，原子脱离了正常格点，而在原来的位置上留下了原由于某种原因，原子脱离了正常格点，而在原来的位置上留下了原子空位，或者说，空位就是未被占据的原子位置子空位，或者说，空位就是未被占据的原子位置 。空位分为肖特基空。空位分为肖特基空位与弗伦克尔空位。位与弗伦克尔空位。本讲稿第七页，共二十三页v（2）间隙原子：）间隙原子：v 在晶体中总是有少部分原子离开正常格点，跳到间隙位在晶体中总是有少部分原子离开正常格点，跳到间隙位置，形成间隙原子，或者说，间隙原子就是进入点阵间隙中置，形成间隙原子，或者说，间隙原子就是进入点阵间隙中的原子。间隙原子可以是晶体中的的原子。间隙原子可以是晶体中的正常原子离位产生正常原子离位产生，也可，也可以是以是外来杂质原子外来杂质原子。vv 图图4-4 空位和间隙原子周围的弹性畸变空位和间隙原子周围的弹性畸变间隙原子间隙原子空位空位本讲稿第八页，共二十三页替位杂质间隙杂质v（3）杂质原子：）杂质原子：v 取代晶格中的原子，进入正常格点位置或进入间隙位置的杂质原子。取代晶格中的原子，进入正常格点位置或进入间隙位置的杂质原子。如氧原子，在硅中主要占据间隙位置；特意掺入的如氧原子，在硅中主要占据间隙位置；特意掺入的B、Al、Ga、P、As等杂质，则为替位原子，它们在硅中占据晶格格点等杂质，则为替位原子，它们在硅中占据晶格格点位置。原子半径较硅位置。原子半径较硅原子半径大原子半径大的原子的原子使晶格膨胀使晶格膨胀，而原子半径，而原子半径比硅比硅原子半径小原子半径小的则使的则使晶格收缩晶格收缩，造成晶格缺陷。，造成晶格缺陷。本讲稿第九页，共二十三页2.2.点缺陷的运动点缺陷的运动 点缺陷的运动方式：点缺陷的运动方式：(1)(1)空位运动。空位运动。(2)(2)间隙原子迁移间隙原子迁移。(3)(3)空位和间隙原子相遇，两缺陷同时消失。空位和间隙原子相遇，两缺陷同时消失。(4)(4)逸出晶体到表面，或移到晶界，点缺陷消失。逸出晶体到表面，或移到晶界，点缺陷消失。本讲稿第十页，共二十三页v（1）热缺陷热缺陷：加热使一部分能量较大的原子离开平衡位置：加热使一部分能量较大的原子离开平衡位置造成的缺陷。如：造成的缺陷。如：肖特基缺陷、肖特基缺陷、弗仑克尔缺陷。弗仑克尔缺陷。v（2）杂质缺陷杂质缺陷：由于外来原子进入晶体而产生的缺陷，破：由于外来原子进入晶体而产生的缺陷，破坏了原子有规则的排列，引起周期势场的改变。坏了原子有规则的排列，引起周期势场的改变。v（3）非化学计量结构缺陷非化学计量结构缺陷：有一些化合物，它们的化学组：有一些化合物，它们的化学组成会明显地随着成会明显地随着周围气氛的性质和压力的大小周围气氛的性质和压力的大小的变化而发生的变化而发生组成偏离化学计量的现象，这一类缺陷是生成组成偏离化学计量的现象，这一类缺陷是生成 n 型、型、p型型半半导体的重要基础。又称为电荷缺陷。如导体的重要基础。又称为电荷缺陷。如TiO2-xv（4）其它原因其它原因3.3.点缺陷形成原因点缺陷形成原因 本讲稿第十一页，共二十三页 线缺陷是晶体中晶格的缺陷只在某一方向上延伸，且在该方线缺陷是晶体中晶格的缺陷只在某一方向上延伸，且在该方向上延伸的尺寸很大，而在另外两个方向上则延伸尺寸很小，或向上延伸的尺寸很大，而在另外两个方向上则延伸尺寸很小，或几乎没有延伸。几乎没有延伸。线缺陷的产生及运动与材料的线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性韧性、脆性密切相关。密切相关。当晶体中的晶格缺陷是沿着一条线对称时，这种缺陷就称为位错。当晶体中的晶格缺陷是沿着一条线对称时，这种缺陷就称为位错。在位错线附近，晶格是不完整的，位错线上原子的键是不饱和的，因而在位错线附近，晶格是不完整的，位错线上原子的键是不饱和的，因而它往往是它往往是杂质富集的地方杂质富集的地方。4.2.2线缺陷线缺陷 刃型位错刃型位错 位错的基本类型位错的基本类型 螺旋位错螺旋位错混合位错混合位错本讲稿第十二页，共二十三页滑移面滑移面ABCDABCD面面额外的半平面额外的半平面EFGH EFGH 位错线位错线EFEF。1.刃型位错刃型位错 晶体的上半部比下半部多出一个平面的原子，这种形式的晶体的上半部比下半部多出一个平面的原子，这种形式的晶格缺陷即为刃位错晶格缺陷即为刃位错 刃型位错用符号刃型位错用符号“”表示。表示。本讲稿第十三页，共二十三页 正刃型位错正刃型位错()：额外的半平面位于滑移面的上面。：额外的半平面位于滑移面的上面。负刃型位错负刃型位错()：额外的半平面位于滑移面的下面。：额外的半平面位于滑移面的下面。本讲稿第十四页，共二十三页（2）位错的运动）位错的运动v位错的运动有两种基本形式：位错的运动有两种基本形式：滑移和攀移滑移和攀移位错的滑移位错的滑移位错的滑移是在切应力作用下实现的，位错的滑移是在切应力作用下实现的，在其本身的滑移面上是很容易滑移。在其本身的滑移面上是很容易滑移。位错的攀移位错的攀移刃位错在垂直于滑移面上的运动称为攀移。刃位错在垂直于滑移面上的运动称为攀移。本讲稿第十五页，共二十三页螺旋位错：螺旋位错：滑移面与未滑移面上的原子呈螺旋形。滑移面与未滑移面上的原子呈螺旋形。特点：特点：位错线与滑移方向相互平行（如同撕纸一般）。位错线与滑移方向相互平行（如同撕纸一般）。螺旋位错没有螺旋位错没有额外半原子面。额外半原子面。2.螺型位错螺型位错本讲稿第十六页，共二十三页混合位错：混合位错：在实际晶体中可能同时产生刃错位和螺旋位错。在实际晶体中可能同时产生刃错位和螺旋位错。混合位错.螺旋位错刃型位错本讲稿第十七页，共二十三页4.2.3 面缺陷vv 面面面面缺缺缺缺陷陷陷陷的的的的特特特特征征征征：指指指指二二二二维维维维尺尺尺尺度度度度很很很很大大大大而而而而第第第第三三三三维维维维尺尺尺尺度度度度很很很很小小小小的的的的缺缺缺缺陷陷陷陷。面面面面缺缺缺缺陷陷陷陷的的的的取取取取向向向向及及及及分分分分布布布布与与与与材材材材料料料料的的的的断断断断裂裂裂裂韧韧韧韧性性性性有有有有关关关关，如解理性。如解理性。vv 面缺陷类型：面缺陷类型：面缺陷类型：面缺陷类型：表面表面表面表面(surfacesurfacesurfacesurface)内界面内界面内界面内界面(interfaceinterfaceinterfaceinterface)：层错、孪晶界、晶界层错、孪晶界、晶界层错、孪晶界、晶界层错、孪晶界、晶界本讲稿第十八页，共二十三页（1 1）层错）层错 层错是由于晶面堆积顺序发生错乱而引入的面缺陷。以立方层错是由于晶面堆积顺序发生错乱而引入的面缺陷。以立方密堆积结构（面心立方）为例，以密堆积结构（面心立方）为例，以A A、B B、C C代表不同的层，在代表不同的层，在111111方向上各晶面按照方向上各晶面按照ABCABCABCABC的顺序排列，在晶体制备过的顺序排列，在晶体制备过程中，如果缺少了其中一层，如程中，如果缺少了其中一层，如B B层原子，而变成按层原子，而变成按ABCABCACACABCABC顺序的排列，这就产生了层错顺序的排列，这就产生了层错 。图图4-20 面心立方的空间排布面心立方的空间排布本讲稿第十九页，共二十三页（3）孪晶缺陷）孪晶缺陷v 孪晶是指两个晶体（或一个晶体的两部分）沿一个公共孪晶是指两个晶体（或一个晶体的两部分）沿一个公共晶面（即特定取向关系）构成镜面对称的关系，这两个晶体晶面（即特定取向关系）构成镜面对称的关系，这两个晶体就称为就称为“孪晶孪晶”，此公共晶面就称孪晶面。，此公共晶面就称孪晶面。v 在孪晶面上的原子同时位于两个晶体点阵的结点上，为在孪晶面上的原子同时位于两个晶体点阵的结点上，为两个晶体所共有两个晶体所共有。晶体中孪晶区域晶体中孪晶区域本讲稿第二十页，共二十三页v（3 3）晶界：）晶界：v 晶晶界界是是两两个个或或多多个个不不同同结结晶晶方方向向的的单单晶晶交交界界。晶晶界界处处存存在在大大量量缺缺陷陷。原原子子在在晶晶界界处处扩扩散散比比晶晶内内快得多。快得多。晶界面晶界面多晶硅多晶硅本讲稿第二十一页，共二十三页 大大大大角角角角度度度度晶晶晶晶界界界界：为为为为原原原原子子子子呈呈呈呈不不不不规规规规则则则则排排排排列列列列的的的的一一一一过过过过渡渡渡渡层层层层。大大大大多多多多数数数数晶晶晶晶粒粒粒粒之间的晶界都属于大角度晶界。之间的晶界都属于大角度晶界。之间的晶界都属于大角度晶界。之间的晶界都属于大角度晶界。小角度晶界：小角度晶界：小角度晶界：小角度晶界：由一系列相隔一定距离的刃型位错所组成。由一系列相隔一定距离的刃型位错所组成。由一系列相隔一定距离的刃型位错所组成。由一系列相隔一定距离的刃型位错所组成。晶界分类晶界分类本讲稿第二十二页，共二十三页4.2.4 体缺陷体缺陷v 晶体内部的空间晶格结构整体上出现了一定形式的体缺陷。晶体内部的空间晶格结构整体上出现了一定形式的体缺陷。存在存在空隙与析出物空隙与析出物两种形式。两种形式。v（1）空隙空隙va.1m以下的空隙以下的空隙晶格空位聚集在一起形成的；晶格空位聚集在一起形成的；vb.大于大于100m甚至于甚至于1000m的空隙的空隙这种较大的空隙可这种较大的空隙可能是晶体生长过程中产生的气泡。能是晶体生长过程中产生的气泡。v（2）析出物）析出物v 当不纯物的浓度超过特定温度的溶解度时，不纯物即可当不纯物的浓度超过特定温度的溶解度时，不纯物即可能以化合物的形态析出。析出物发生的步骤包括：成核、成能以化合物的形态析出。析出物发生的步骤包括：成核、成长。长。本讲稿第二十三页，共二十三页