固体物理第四章课件.ppt

School of Materials Science and Engineering/WHUT固固 体体 物物 理理 教 师：周静学生专业：材料学院2005级材料物理 School of Materials Science and Engineering/WHUT第四章第四章 晶体中的缺陷与运动晶体中的缺陷与运动晶体缺陷的主要类型晶体缺陷的主要类型热缺陷数目的统计计算热缺陷数目的统计计算 晶体中的扩散定律晶体中的扩散定律扩散的微观机制扩散的微观机制 热缺陷在外力作用下的运动热缺陷在外力作用下的运动 School of Materials Science and Engineering/WHUT点缺陷点缺陷线缺陷线缺陷面缺陷面缺陷体缺陷体缺陷缺缺陷陷的的分分类类 晶体缺陷的主要类型晶体缺陷的主要类型 School of Materials Science and Engineering/WHUT缺缺陷陷的的分分类类 晶体缺陷的主要类型晶体缺陷的主要类型面缺陷面缺陷：晶界、缺陷堆积、表面：晶界、缺陷堆积、表面体缺陷体缺陷：微裂纹、孔洞、集聚：微裂纹、孔洞、集聚点缺陷点缺陷色心色心极化子极化子热缺陷热缺陷弗伦克尔缺陷弗伦克尔缺陷肖特基缺陷肖特基缺陷杂质缺陷杂质缺陷置换型置换型填隙型填隙型线缺陷线缺陷位错位错刃型位错刃型位错螺旋位错螺旋位错混合位错混合位错 School of Materials Science and Engineering/WHUT点缺陷点缺陷：空位、填隙原子、杂质原子等类型缺陷所引起：空位、填隙原子、杂质原子等类型缺陷所引起对晶格周期性的破坏发生在一个或几个晶格常对晶格周期性的破坏发生在一个或几个晶格常数的限度范围内，故称点缺陷（约占一个原子数的限度范围内，故称点缺陷（约占一个原子大小的尺寸）。大小的尺寸）。点缺陷点缺陷（零维缺陷零维缺陷）空位空位：指正常格点上某个位置的原子不存在。：指正常格点上某个位置的原子不存在。填隙原子填隙原子：指正常晶格中的固有原子或外来原子挤进晶：指正常晶格中的固有原子或外来原子挤进晶格间隙位置。格间隙位置。晶体缺陷的主要类型晶体缺陷的主要类型点点缺缺陷陷 School of Materials Science and Engineering/WHUT晶体缺陷的主要类型晶体缺陷的主要类型本征点缺陷本征点缺陷本征缺陷本征缺陷：由热起伏产生的空位和填隙原子叫做热缺陷，也：由热起伏产生的空位和填隙原子叫做热缺陷，也叫本征缺陷。叫本征缺陷。常见的本征缺陷有常见的本征缺陷有弗仑克尔缺陷和肖特基缺陷弗仑克尔缺陷和肖特基缺陷点点缺缺陷陷 School of Materials Science and Engineering/WHUT晶体缺陷的主要类型晶体缺陷的主要类型Frenkel缺陷缺陷：原子由正常格点跳到填隙位置，同时产生一个：原子由正常格点跳到填隙位置，同时产生一个空位和一个填隙原子。通常移动到间隙位置上空位和一个填隙原子。通常移动到间隙位置上的离子其半径都较小，多为阳离子。（空位与的离子其半径都较小，多为阳离子。（空位与填隙原子成对产生）填隙原子成对产生）Schottky缺陷缺陷：晶体内部的原子迁移到晶体表面的正常格点上，：晶体内部的原子迁移到晶体表面的正常格点上，同时产生一个空位和一个新的正常格点。（对同时产生一个空位和一个新的正常格点。（对于离子晶体正负离子空位成对出现）于离子晶体正负离子空位成对出现）对对Schottky缺陷的产生还有另一种理解：表面上某个原子缺陷的产生还有另一种理解：表面上某个原子由其固有位置迁移到表面上另一个新的位置，在表面上形成由其固有位置迁移到表面上另一个新的位置，在表面上形成一个空位，内部原子迁移到表面填充这个表面空位，而在内一个空位，内部原子迁移到表面填充这个表面空位，而在内部形成空位。部形成空位。点点缺缺陷陷 本征点缺陷本征点缺陷 School of Materials Science and Engineering/WHUT晶体缺陷的主要类型晶体缺陷的主要类型Frenkel缺缺陷陷和和Schottky缺缺陷陷都都是是由由于于晶晶格格振振动动（热热运运动动）而而产产生生的的，称称为为热热缺缺陷陷，且且为为本本征征缺缺陷陷（固固有有原原子子缺缺陷陷），所所以以上上图图中中C填填隙隙不不为为Frenkel缺陷（杂质缺陷）。缺陷（杂质缺陷）。通通常常要要产产生生填填隙隙缺缺陷陷，需需固固有有原原子子挤挤进进正正常常晶晶格格间间隙隙位位置置，这这时时所所需需能能量量要要远远高高于于形形成成空空位位的的能能量量，故故在在温温度度不不太太高高时时，对对大大多多数数晶晶体体而而言言，形形成成Schottky的的几几率率要要远远大大于于形形成成Frenkel的的几几率率，当当然然如如果果外外来来原原子子较较小小时时，也可进入间隙（不是也可进入间隙（不是Frenkel缺陷）。缺陷）。点点缺缺陷陷 本征点缺陷本征点缺陷 School of Materials Science and Engineering/WHUT晶体缺陷的主要类型晶体缺陷的主要类型杂质点缺陷杂质点缺陷杂质缺陷杂质缺陷：在偏离理想状态的固体点缺陷中，除了热运动引在偏离理想状态的固体点缺陷中，除了热运动引起的本征点缺陷之外，其余都为杂质点缺陷。起的本征点缺陷之外，其余都为杂质点缺陷。填隙式杂质点缺陷填隙式杂质点缺陷：能源材料能源材料贮氢材料，贮氢材料，H进入进入金属或合金原子间隙；金属或合金原子间隙；某些合金就是由某些合金就是由C、H、O、N等较小元素进入金属元素间隙而形成的。等较小元素进入金属元素间隙而形成的。钢就是铁掺钢就是铁掺碳，碳，C进入进入Fe原子间隙；原子间隙；替代式杂质点缺陷替代式杂质点缺陷：N型半导体：型半导体：P-Si；P型半导体：型半导体：Ga-Si；红宝石：红宝石：Al2O3（刚玉晶体）掺（刚玉晶体）掺Cr2O3形成，形成，Cr3+-Al3+点点缺缺陷陷 School of Materials Science and Engineering/WHUT点点缺缺陷陷 晶体缺陷的主要类型晶体缺陷的主要类型电子缺陷电子缺陷电子缺陷电子缺陷：在固体晶格中，：在固体晶格中，由于本征点缺陷或杂质点缺陷由于本征点缺陷或杂质点缺陷的存在的存在，晶格的周期性势场局部地受到破坏晶格的周期性势场局部地受到破坏，在这，在这些局部地区，电子的能态同晶体中其它部分的能态些局部地区，电子的能态同晶体中其它部分的能态有所不同，将这类缺陷统称为电子缺陷。有所不同，将这类缺陷统称为电子缺陷。半导体中的电子缺陷半导体中的电子缺陷（导带电子和价带空穴）（导带电子和价带空穴）碱卤晶体中的电子缺陷碱卤晶体中的电子缺陷（色心）（色心）School of Materials Science and Engineering/WHUT晶体缺陷的主要类型晶体缺陷的主要类型半导体中的电子缺陷半导体中的电子缺陷（导带电子和价带空穴）（导带电子和价带空穴）在在纯纯净净半半导导体体中中掺掺加加杂杂质质，在在形形成成替替位位式式杂杂质质点点缺缺陷陷的的同同时时，改改变变了了晶晶体体的的局局部部势势场场，使使一一部部分分电电子子能能级级从从许许可可带带中中分分离离了了出出来来，形形成成禁禁带带能能级级，因因而而容容易易提提供供电电子子或或空空穴穴，使使电电导导率率增增加加。根根据据提提供供的的载载流子种类的不同分为施主杂质和受主杂质。流子种类的不同分为施主杂质和受主杂质。施施主主杂杂质质：杂杂质质掺掺进进去去后后，能能提提供供给给导导带带以以电电子子，我我们们称称这这种种杂杂质质为施主杂质，形成的是为施主杂质，形成的是n型半导体；型半导体；受受主主杂杂质质：杂杂质质掺掺进进去去后后，能能接接受受满满带带的的电电子子，满满带带中中出出现现电电子子空空穴，我们们称这种杂质为受主杂质，形成的是穴，我们们称这种杂质为受主杂质，形成的是p型半导体。型半导体。点点缺缺陷陷 电子缺陷电子缺陷 School of Materials Science and Engineering/WHUT晶体缺陷的主要类型晶体缺陷的主要类型磷（磷（P）、硼（）、硼（B）掺入硅（）掺入硅（Si）中后，禁带中出现能级）中后，禁带中出现能级ED施施主主：电电子子与与磷磷形形成成弱弱束束缚缚，能能级级在在ED，很很易易被被激激发发，ED施主能级施主能级受受主主：空空穴穴与与硼硼形形成成弱弱束束缚缚，能能级级在在ED，很很易易接接受受电电子子，ED受主能级受主能级点点缺缺陷陷 电子缺陷电子缺陷半导体中的电子缺陷半导体中的电子缺陷（导带电子和价带空穴）（导带电子和价带空穴）School of Materials Science and Engineering/WHUT晶体缺陷的主要类型晶体缺陷的主要类型碱卤晶体中的电子缺陷碱卤晶体中的电子缺陷（色心）（色心）色色心心：由由于于电电子子在在离离子子晶晶体体中中出出现现正正、负负离离子子缺缺位位所所引引起起的的局局部能级变化而导致的电子缺陷，我们称之为色心。部能级变化而导致的电子缺陷，我们称之为色心。F心（负离子缺位）心（负离子缺位）V心（正离子缺位）心（正离子缺位）其它色心其它色心 极化子极化子 点点缺缺陷陷 电子缺陷电子缺陷 School of Materials Science and Engineering/WHUT晶体缺陷的主要类型晶体缺陷的主要类型 F心心（负离子缺位）（负离子缺位）将将碱碱卤卤晶晶体体在在碱碱金金属属的的蒸蒸汽汽中中加加热热，此此时时碱碱金金属属的的组组分分超超过过化化学学比比，晶晶格格中中出出现现卤卤素素离离子子的的缺缺位位。以以NaCl为为例例，则则出出现现了了氯氯离离子子空空位位。由由于于负负离离子子是是个个正正电电中中心心V*Cl，能能束束缚缚电电子子，通通常常总总有有一一个个电电子子被被束束缚缚在在它它周周围围，为为六六个个最最近近临临的的钠钠离离子子所所共共有有，当当晶晶体体受受激激（如如受受可可见见光光照照射射）时时，这这个个束束缚缚着着的的电电子子就就可可能能吸吸收收某某个个波波段段的的能能量量（电电子子激激发发吸吸收收可可见见光光）而而被被电电离离到到导导带带，不不被被吸吸收收的的光光则则透透过过，显显色色，称称F心心。如如NaCl出出现现F心心，则显淡黄色（透过光的颜色），则显淡黄色（透过光的颜色）俘俘获获了了电电子子的的正正电电中中心心（负负离离子子空空位位）的的性性质质和和上上面面提提到到的的杂杂质质半半导体的施主很相似。导体的施主很相似。点点缺缺陷陷 电子缺陷电子缺陷碱卤晶体中的电子缺陷碱卤晶体中的电子缺陷（色心）（色心）School of Materials Science and Engineering/WHUT晶体缺陷的主要类型晶体缺陷的主要类型 V心心（正离子缺位）（正离子缺位）将将碱碱卤卤晶晶体体在在卤卤素素蒸蒸汽汽中中加加热热，此此时时卤卤素素的的组组分分超超过过化化学学比比，晶晶格格中中出出现现碱碱金金属属离离子子的的缺缺位位，即即正正离离子子空空位位。以以NaCl为为例例，则则出出现现了了钠钠离离子子空空位位。由由于于正正离离子子空空位位是是一一个个带带负负电电的的缺缺陷陷，即即正正离离子子空空位位是是负负电电中中心心VNa，能能俘俘获获空空穴穴，以以保保持持电电中中性性。也也就就是是说说，有有一一个个空空穴穴被被束束缚缚在在钠钠离离子子缺缺位位的的周周围围，为为最最近近邻邻六六个个氯氯离离子子所所共共有有。当当晶晶体体受受激激时时（空空穴穴激激发发吸吸收收紫紫外外光光），这这个个空空穴穴被被激激发发到到价价带带而而成为自由空穴。成为自由空穴。俘俘获获了了空空穴穴的的负负电电中中心心（正正离离子子缺缺位位）的的性性质质同同杂杂质质半半导导体体中中的受主相似。的受主相似。点点缺缺陷陷 电子缺陷电子缺陷碱卤晶体中的电子缺陷碱卤晶体中的电子缺陷（色心）（色心）School of Materials Science and Engineering/WHUT晶体缺陷的主要类型晶体缺陷的主要类型 其它色心其它色心 除除了了基基本本色色心心F心心和和V心心以以外外还还有有一一系系列列其其它它色色心心，都都是是F心心或或V心心之间的聚集。例如：之间的聚集。例如：R心心=F心心+负离子缺位，即两个负离子缺位负离子缺位，即两个负离子缺位+e；R2心心=F心心+F心，心，两个两个F心心的聚集；的聚集；M心心=F心心+一对正负离子缺位一对正负离子缺位 这属于缺陷的缔合这属于缺陷的缔合点点缺缺陷陷 电子缺陷电子缺陷碱卤晶体中的电子缺陷碱卤晶体中的电子缺陷（色心）（色心）School of Materials Science and Engineering/WHUT晶体缺陷的主要类型晶体缺陷的主要类型 极化子极化子 当当一一个个电电子子被被引引入入到到完完整整的的离离子子晶晶体体中中时时，它它就就会会使使得得原原来来的的周周期期性性势势场场发发生生局局部部的的畸畸变变，这这个个电电子子吸吸引引邻邻近近的的正正离离子子，使使之之内内移移，又又排排斥斥邻邻近近的的负负离离子子使使之之外外移移，从从而而产产生生极极化化。离离子子的的这这种种位位移移极极化化所所产产生生的的库库仑仑引引力力趋趋于于阻阻止止电电子子从从这这个个区区域域逃逃逸逸出出去去，即即电电子子所所在在处处出出现现了了束束缚缚这这个个电电子子的的势势能能阱阱，这这种种束束缚缚作作用用称称为为电电子子的的“自自陷陷”作作用用。在在自自陷陷作作用用下下产产生生的的电电子子束束缚缚态态称称为为自自陷陷态态，它它永永远远追追随随着着电电子子从从晶晶格格中中一一处处移至另一处。移至另一处。极极化化子子：一一个个携携带带着着四四周周的的晶晶格格畸畸变变而而运运动动的的电电子子，可可看看作作为为一一个个准准粒粒子子（电子（电子+晶格的极化畸变），叫做极化子。晶格的极化畸变），叫做极化子。点点缺缺陷陷 电子缺陷电子缺陷碱卤晶体中的电子缺陷碱卤晶体中的电子缺陷（色心）（色心）School of Materials Science and Engineering/WHUT点点缺缺陷陷 晶体缺陷的主要类型晶体缺陷的主要类型 极化子极化子 晶晶格格畸畸变变的的范范围围接接近近于于晶晶格格常常数数尺尺度度的的称称之之为为小小极极化化子子，晶晶格格畸畸变变的的范范围围如如果果较较大大（线线度度为为晶晶格格常常数数的的许许多多倍倍），这这时时的的极极化化子子为为大大极极化化子子。能能够够作作为为点点缺缺陷陷来来讨讨论论的的只只能能是是小小极极化化子子。极极化化子子的的模模型型可可使使我我们们对对于于晶晶体体电电阻阻率率随随温温度度变变化化的的函函数数关关系系作作更更为为深深刻刻的的阐阐述述。晶晶体体的的电电阻阻率率实实际际上上不不仅仅仅仅是是由由于于晶晶格格振振动动对对电电子子的的作作用用，而而是是晶晶格格振振动动对对极极化化子子作作用用的结果。的结果。电子缺陷电子缺陷碱卤晶体中的电子缺陷碱卤晶体中的电子缺陷（色心）（色心）School of Materials Science and Engineering/WHUT点缺陷点缺陷线缺陷线缺陷面缺陷面缺陷体缺陷体缺陷缺缺陷陷的的分分类类 晶体缺陷的主要类型晶体缺陷的主要类型 School of Materials Science and Engineering/WHUT线线缺缺陷陷 位错线位错线晶体缺陷的主要类型晶体缺陷的主要类型 当当晶晶格格的的周周期期性性的的破破坏坏是是发发生生在在晶晶体体内内部部一一条条线线的的周周围围近近邻邻，这这就就称称为为线线缺缺陷陷。位位错错就就是是典典型型的的线线缺缺陷陷，在在这这条条线线的的附附近近，原原子子的的排排列列偏偏离离了了严严格格的的周周期期性性，好好像像原原子子所所处处的的位位置置有有了了错错误误似似的的，这这条条线线叫做位错线。叫做位错线。刃刃型型位位错错：位位错错线线垂垂直直于于滑滑移移的的方方向向。刃刃型型位位错错的的构构成成就就象象是是用用刀刀劈劈柴柴那那样样，把把晶晶面面挤挤到到一一组组平平行行晶晶面面之之间间，这这个个半半截截晶晶面面的的下下端端宛宛如刀刃。如刀刃。螺螺旋旋位位错错：位位错错线线平平行行于于滑滑移移的的方方向向。当当晶晶体体中中存存在在螺螺旋旋位位错错时时，原来的一族平行晶面就变成为象是单个晶面所组成的螺旋阶梯。原来的一族平行晶面就变成为象是单个晶面所组成的螺旋阶梯。线缺陷线缺陷（一维缺陷一维缺陷）School of Materials Science and Engineering/WHUT线线缺缺陷陷 晶体缺陷的主要类型晶体缺陷的主要类型 设想一单晶体，沿其某一晶面设想一单晶体，沿其某一晶面ABCD切到直线切到直线AD，并，并使上部切开部分的外边使上部切开部分的外边BC沿沿AD方向滑移一个原子间距，方向滑移一个原子间距，这样在这样在AD 线处形成一个螺旋位置。由于出现滑移而使原线处形成一个螺旋位置。由于出现滑移而使原来在完整晶体中与来在完整晶体中与AD垂直的平行晶面变成一个围线垂直的平行晶面变成一个围线AD螺螺旋式上升的晶面。旋式上升的晶面。位错线位错线 School of Materials Science and Engineering/WHUT线线缺缺陷陷 晶体缺陷的主要类型晶体缺陷的主要类型 设想一单晶体，沿其某一晶面设想一单晶体，沿其某一晶面ABCD切到直线切到直线AD，并，并使上部切开部分的外边使上部切开部分的外边BC沿沿AD方向滑移一个原子间距，方向滑移一个原子间距，这样在这样在AD 线处形成一个螺旋位置。由于出现滑移而使原线处形成一个螺旋位置。由于出现滑移而使原来在完整晶体中与来在完整晶体中与AD垂直的平行晶面变成一个围线垂直的平行晶面变成一个围线AD螺螺旋式上升的晶面。旋式上升的晶面。位错线位错线 School of Materials Science and Engineering/WHUT线线缺缺陷陷 晶体缺陷的主要类型晶体缺陷的主要类型 一一般般当当外外应应力力超超过过弹弹性性限限度度，沿沿着着某某一一晶晶面面两两边边的的晶晶体体发发生生了了相相对对滑滑移移，并并且且认认为为滑滑移移不不是是在在整整个个晶晶面面上上同同时时发发生生的的，而而是是先先在在局局部部区区域域发发生生，然然后后滑滑移移区区域域不不断断扩扩大大以以致致遍遍及及整整个个晶晶面面。左左图图中中的的三三个个图图分分别别表表示示(a)未未滑滑移移前前，(b)局局部部滑滑移移，(c)滑滑移移已已扩扩展展到到整整个个晶晶面面的的原原子子排排列列情情况况。右右图图中中ABEF表表示示已已发发生生了了滑滑移移的的区区域域，滑滑移移面面的的上上部部面面左左边边的的部部分分已已滑滑移移了了一一步步，而而它它的的右右边边尚尚没没有有动动，所所以以在在EFGH处处多挤进了一层原子。多挤进了一层原子。位错的滑移位错的滑移 School of Materials Science and Engineering/WHUT点缺陷点缺陷线缺陷线缺陷面缺陷面缺陷体缺陷体缺陷缺缺陷陷的的分分类类 晶体缺陷的主要类型晶体缺陷的主要类型 School of Materials Science and Engineering/WHUT 面面缺缺陷陷属属二二维维缺缺陷陷，它它对对晶晶体体周周期期性性的的破破坏坏扩扩展展到到一一个个面面附附近近原原子子尺尺寸寸范范围围，常常见见的的有有：晶晶界界、表表面面、堆堆积积缺缺陷（层错）。陷（层错）。面缺陷面缺陷（二维缺陷二维缺陷）晶体缺陷的主要类型晶体缺陷的主要类型面面缺缺陷陷 表面表面 固固气气界界面面、外外界界面面、周周期期性性破破坏坏区区域域（“有有”突突变变到到“无无”），表表面面科科学学认认为为变变化化区区域域介介于于n个个原原子子层层厚厚度，故表面是度，故表面是n个原子层厚度的过渡区。个原子层厚度的过渡区。School of Materials Science and Engineering/WHUT晶体缺陷的主要类型晶体缺陷的主要类型面面缺缺陷陷 晶界晶界 指指晶晶粒粒晶晶粒粒的的界界面面、固固固固界界面面、内内界界面面、晶晶粒粒与与晶晶粒粒的的过过渡渡区区域域、晶晶粒粒间间界界。同同样样是是周周期期性性破破坏坏区区域域（一一种种取取向晶粒到另一种取向晶粒），过度区厚度为几个向晶粒到另一种取向晶粒），过度区厚度为几个。晶晶界界是是一一种种面面缺缺陷陷，是是周周期期性性中中断断的的区区域域，存存在在较较高高界界面面能能和和应应力力，且且电电荷荷不不平平衡衡，各各种种原原子子或或缺缺陷陷沿沿晶晶界界（包包括括表表面面）的的扩扩散散运运动动能能力力强强，故故晶晶界界是是各各种种缺缺陷陷和和杂杂质质的的聚聚集集区区和和快快速速扩扩散散通通道道（短短路路扩扩散散），易易吸吸附附或或产产生生各各种种热热缺缺陷陷和和杂杂质质缺缺陷陷。与与体体内内微微观观粒粒子子（如如电电子子）相相比比，晶晶界界微微观观粒粒子子所所处处的的能能量量状状态态有有明明显显差差异异，称称为为晶晶界界态态。故故此此，晶晶界界具具有与体内不同的复杂性质，在功能材料中体现的尤为突出。有与体内不同的复杂性质，在功能材料中体现的尤为突出。School of Materials Science and Engineering/WHUT晶体缺陷的主要类型晶体缺陷的主要类型面面缺缺陷陷 半导体陶瓷晶界对性能的影响半导体陶瓷晶界对性能的影响 在在半半导导体体陶陶瓷瓷中中，通通常常可可以以通通过过组组成成、制制备备工工艺艺的的控控制制，使使晶晶界界中中产产生生不不同同起起源源的的受受主主态态能能级级，在在晶晶界界产产生生能能级级势势垒垒，显显著著影影响响电电子子的的输输运运行行为为，使使陶陶瓷瓷产产生生一一系系列列的的电电功功能能特特性性（如如PTC特特性性、压压敏敏特特性性、大大电电容容特特性性等等）。这这种种晶晶界界效效应应在在半半导导体体陶陶瓷瓷的发展中得到了充分的体现和应用。的发展中得到了充分的体现和应用。School of Materials Science and Engineering/WHUT晶体缺陷的主要类型晶体缺陷的主要类型面面缺缺陷陷 小角晶界小角晶界 可以看成为一些刃型位错的排列。可以看成为一些刃型位错的排列。如如一一个个简简单单立立方方的的晶晶体体，它它的的两两部部分分的的交交界界面面（010）面面，这这两两部部分分绕绕001 轴轴有有一一小小角角的的倾倾斜斜，如如图图所所示示，纸纸面面代代表表（001）面面，那那么么，在在角角以以外外的的左左右右两两部部分分，都都是是完完整整的的（001）面面，而而在在角角里里的的部部分分，是是个个过过渡渡区区，通通过过这这个个过过渡渡区区，两两个个完完整整的的晶晶体体衔衔接接起起来来，因因为为这这里里角角是是小小角角，可可以以设设想想，这过渡区是由少数几个多余的半截晶面所组成。这过渡区是由少数几个多余的半截晶面所组成。School of Materials Science and Engineering/WHUT晶体缺陷的主要类型晶体缺陷的主要类型面面缺缺陷陷 堆垛层错堆垛层错 堆堆垛垛层层错错表表示示相相对对于于正正常常堆堆垛垛次次序序出出现现了了差差异异，有有抽抽出出型型和和插插入入型型两两种种基基本本类类型型。前前面面已已知知面面心心立立方方与与密密集集六六角角是是两两种种密密堆堆积积结结构构，假假设设用用表表示示顺顺ABC次次序序的的堆堆垛垛，表表示示次次序序相相反反的的堆堆垛垛，因因此此ABCABC的的堆堆垛垛次次序序为为，ABABAB则为则为。a抽出型堆垛层错：相当于正常层序中抽走一层，图中相当于抽走了抽出型堆垛层错：相当于正常层序中抽走一层，图中相当于抽走了A层。层。b插入型堆垛层错：相当于正常层序中多加一层，图中相当于插入了插入型堆垛层错：相当于正常层序中多加一层，图中相当于插入了B层。层。从图中可看出，一个插入型的层错等于两层抽出型的层错，而在面心立方从图中可看出，一个插入型的层错等于两层抽出型的层错，而在面心立方结构中出现层错也相当于嵌入了薄层的密集六角结构结构中出现层错也相当于嵌入了薄层的密集六角结构 School of Materials Science and Engineering/WHUT晶体缺陷的主要类型晶体缺陷的主要类型面面缺缺陷陷 孪晶晶界孪晶晶界 除除了了一一般般的的晶晶界界以以外外，可可能能还还存存在在一一些些特特殊殊的的晶晶界界。界界面面上上的的原原子子正正好好坐坐落落在在两两晶晶体体的的点点阵阵座座位位上上，这这种种晶晶界界称称为为共共格格晶晶界界，而而最最常常见见的的共共格格晶晶界界就就是是共共格格孪孪晶晶界界，界界面面两两侧侧的的晶晶体体的的位位相相满满足足反反映映对称的关系，反映面即称为孪生面对称的关系，反映面即称为孪生面。我我们们以以面面心心立立方方晶晶体体为为例例来来说说明明孪孪晶晶界界的的问问题题。上上 面面 提提 到到 面面 心心 立立 方方 的的 堆堆 垛垛 符符 号号 为为ABCABC：，如如果果从从某某层层起起，堆堆垛垛 层层 序序 颠颠 倒倒 过过 来来（ABCABACBACBA：），上上下下两两部部分分晶晶体体就就形形成了孪晶关系。成了孪晶关系。School of Materials Science and Engineering/WHUT点缺陷点缺陷线缺陷线缺陷面缺陷面缺陷体缺陷体缺陷缺缺陷陷的的分分类类 晶体缺陷的主要类型晶体缺陷的主要类型 School of Materials Science and Engineering/WHUT晶体缺陷的主要类型晶体缺陷的主要类型体体缺缺陷陷 指指在在三三维维方方向向上上尺尺寸寸都都比比较较大大的的缺缺陷陷，大大约约为为100的的水水平平（纳纳米米尺度）。尺度）。如如：固固体体包包藏藏的的杂杂质质、沉沉淀淀和和空空洞洞等等，这这些些缺缺陷陷已已经经是是相相层层次次上上的的缺缺陷了，与基质晶体已经不属于同一物相了，是异相缺陷。陷了，与基质晶体已经不属于同一物相了，是异相缺陷。上上面面将将缺缺陷陷按按尺尺度度大大小小进进行行了了分分类类，且且对对每每一一种种缺缺陷陷形形式式都都进进行行了了介介绍绍。我我们们分分类类的的目目的的就就是是为为了了便便于于研研究究材材料料，实实际际材材料料中中不不可可能能单单独独存存在在一一种种缺缺陷陷，往往往往是是多多种种缺缺陷陷同同时时存存在在，我我们们就就可可以以按按照照某某种种分分类类方方式式将将他他们们一一一一划划分分清清楚楚，然然后后逐逐一一进进行行单单独独研研究究，最最后后再再考考虑虑它的总体效果，这样在考虑问题的思路上就很清晰，不至于引起混乱。它的总体效果，这样在考虑问题的思路上就很清晰，不至于引起混乱。体缺陷体缺陷（三维缺陷三维缺陷）School of Materials Science and Engineering/WHUT第四章第四章 晶体中的缺陷与运动晶体中的缺陷与运动晶体缺陷的主要类型晶体缺陷的主要类型热缺陷数目的统计计算热缺陷数目的统计计算 晶体中的扩散定律晶体中的扩散定律扩散的微观机制扩散的微观机制热缺陷在外力作用下的运动热缺陷在外力作用下的运动 School of Materials Science and Engineering/WHUT热缺陷数目的统计计算热缺陷数目的统计计算热热缺缺陷陷 由由于于热热运运动动，晶晶体体中中的的热热缺缺陷陷并并不不固固定定于于晶晶格格中中某某一一位位置置，而是处于不断的运动中。而是处于不断的运动中。例例如如：空空位位周周围围的的原原子子通通过过热热运运动动能能量量的的涨涨落落，在在获获得得足足够够能能量量后后可可跳跳到到空空位位上上而而占占据据该该空空位位，而而在在原原来来位位置置上上留留下下空空位位。这这一一过过程程可可看看作作空空位位的的移移动动，其其实实质质是是原原子子的的移移动动。不不难难看看出出空空位运动方向和原子移动方向相反（称为位运动方向和原子移动方向相反（称为缺陷迁移运动的空位机制缺陷迁移运动的空位机制）。）。由由于于采采用用这这种种运运动动方方式式时时，原原子子移移动动所所需需能能量量较较小小（所所需需能能量量为为产产生生空空位位的的能能量量及及由由正正常常格格点点跃跃到到空空位位所所需需能能量量之之和和）。故故在大多数晶体中这是原子移动或运动的主要途径。在大多数晶体中这是原子移动或运动的主要途径。空位扩散机制空位扩散机制 School of Materials Science and Engineering/WHUT热缺陷数目的统计计算热缺陷数目的统计计算热热缺缺陷陷 填填隙隙原原子子同同样样可可由由一一个个填填隙隙位位置置跳跳到到另另一一个个填填隙隙位位置置。采采用用这这种种运运动动方方式式时时，原原子子移移动动所所需需能能量量为为产产生生填填隙隙原原子子的的能能量量（若若为为杂杂质质原原子子填填隙隙则则这这一一项项能能量量很很低低）及及由由正正常常格格点点跃跃到到填填隙隙位位置置所需能量之和。所需能量之和。若若填填隙隙原原子子落落入入空空位位中中，则则二二种种缺缺陷陷同同时时消消失失，这这一一过过程程称称为为复复合合。所所以以，在在某某一一温温度度下下晶晶体体中中热热缺缺陷陷处处于于不不断断产产生生和和不不断断消消失失的的过过程程中中。但但在在热热平平衡衡条条件件下下，这这二二种种过过程程达达到到动动态态平平衡衡（即即新新产产生生缺缺陷陷数数目目与与复复合合消消失失的的热热缺缺陷陷数数目目相相同同。因因而而只只有有在在热热平平衡衡条条件件下下晶晶体体中中才才具具有有稳稳定定的的或或可可确确定定的的热热缺缺陷陷数数目目，才才有有可可能能和和有有必必要要对对其其数数目目进进行行统统计计计计算算，即即缺缺陷陷数数目目是是指指热热平平衡衡时时的数目的数目。填隙原子扩散机制填隙原子扩散机制 School of Materials Science and Engineering/WHUT热缺陷数目的统计计算热缺陷数目的统计计算热热缺缺陷陷 设设晶晶体体中中原原子子总总数数为为N，晶晶体体中中间间隙隙位位置置总总数数为为N，n为为Frenkel缺缺陷陷数数目目，则则从从N个个原原子子取取出出n个个原原子子而而形形成成n个个空空位位的的可可能方式数为：能方式数为：Frenkel缺陷的数目缺陷的数目 所取出的所取出的n 个原子在个原子在N个间隙位置上形成间隙原子时的可能方式为：个间隙位置上形成间隙原子时的可能方式为：School of Materials Science and Engineering/WHUT热缺陷数目的统计计算热缺陷数目的统计计算热热缺缺陷陷 Frenkel缺陷的数目缺陷的数目 故形成故形成n个个Frenkel 缺陷的方式数为（乘法原理）：缺陷的方式数为（乘法原理）：根据根据Boltzman关系式关系式 则自由能的改变为：则自由能的改变为：u为形成一个为形成一个Frenkel缺陷所需能量。达到热平衡时，缺陷数目缺陷所需能量。达到热平衡时，缺陷数目满足条件：满足条件：则有：则有：School of Materials Science and Engineering/WHUT热缺陷数目的统计计算热缺陷数目的统计计算热热缺缺陷陷 Frenkel缺陷的数目缺陷的数目利用利用Starling 定律：定律：代入整理得到：代入整理得到：若温度不太高时：若温度不太高时：则：则：School of Materials Science and Engineering/WHUT热缺陷数目的统计计算热缺陷数目的统计计算热热缺缺陷陷 Schottky缺陷的数目缺陷的数目依据与上面相同的方法，得到晶体中肖特基缺陷的平衡数目为：依据与上面相同的方法，得到晶体中肖特基缺陷的平衡数目为：其中其中u1为形成一个空位所需的能量。在肖特基缺陷的情况中只需为形成一个空位所需的能量。在肖特基缺陷的情况中只需考虑考虑 个原子中分别有个原子中分别有n1个原子移走形成个原子移走形成n1个空位，同时产生个空位，同时产生n1个新个新格点，则总格点数为格点，则总格点数为n1，则：，则：School of Materials Science and Engineering/WHUT热缺陷数目的统计计算热缺陷数目的统计计算热热缺缺陷陷 在在离离子子晶晶体体中中，因因电电中中性性要要求求，肖肖特特基基缺缺陷陷都都是是成成对对出出现现的的。令令n为为正正负负离离子子空空位位对对的的数数目目。E为为形形成成一一对对空空位位所所需需要要的的能能量量。代代表表整整个晶体中正负离子对的数目。则个晶体中正负离子对的数目。则Schottky缺陷的数目为：缺陷的数目为：Schottky缺陷的数目缺陷的数目证明：在个正离子中形成证明：在个正离子中形成n个正离子空位的方式数目为：个正离子空位的方式数目为：同理在同理在N 个负离子中形成个负离子中形成n 个负离子空位的方式数为：个负离子空位的方式数为：School of Materials Science and Engineering/WHUT热缺陷数目的统计计算热缺陷数目的统计计算热热缺缺陷陷 由由于于正正负负离离子子空空位位成成对对出出现现，故故在在N对对正正负负离离子子对对中中形形成成n 对对正负离子对的方式数为：正负离子对的方式数为：Schottky缺陷的数目缺陷的数目Boltzman关系式关系式 形成形成n对正负离子空位对时自由能的改变为对正负离子空位对时自由能的改变为 达到热平衡时：达到热平衡时：School of Materials Science and Engineering/WHUT热缺陷数目的统计计算热缺陷数目的统计计算热热缺缺陷陷 填隙原子的数目填隙原子的数目依据与上面相同的方法，得到晶体中填隙原子的平衡数目为：依据与上面相同的方法，得到晶体中填隙原子的平衡数目为：其中其中N为填隙位置数目，为填隙位置数目，u2为形成一个填隙原子所需的能量。为形成一个填隙原子所需的能量。School of Materials Science and Engineering/WHUT第四章第四章 晶体中的缺陷与运动晶体中的缺陷与运动晶体缺陷的主要类型晶体缺陷的主要类型热缺陷数目的统计计算热缺陷数目的统计计算 晶体中的扩散定律晶体中的扩散定律扩散的微观机制扩散的微观机制热缺陷在外力作用下的运动热缺陷在外力作用下的运动 School of Materials Science and Engineering/WHUT晶体中的扩散定律晶体中的扩散定律稳态扩散的定律：指扩散区域内浓度不随时间而变化稳态扩散的定律：指扩散区域内浓度不随时间而变化扩散第一定律扩散第一定律扩散第二定律扩散第二定律非稳态扩散定律：即扩散区域内各点浓度随时间变化非稳态扩散定律：即扩散区域内各点浓度随时间变化 School of Materials Science and Engineering/WHUT第四章第四章 晶体中的缺陷与运动晶体中的缺陷与运动晶体缺陷的主要类型晶体缺陷的主要类型热缺陷数目的统计计算热缺陷数目的统计计算 晶体中的扩散定律晶体中的扩散定律扩散的微观机制扩散的微观机制热缺陷在外力作用下的运动热缺陷在外力作用下的运动 School of Materials Science and Engineering/WHUT扩散的微观机制扩散的微观机制直接交换扩散直接交换扩散空位扩散空位扩散填隙扩散填隙扩散杂质扩散杂质扩散体扩散体扩散短路扩散短路扩散晶体中原子沿晶体的表面、界面、位错的扩散称为短路扩散晶体中原子沿晶体的表面、界面、位错的扩散称为短路扩散 School of Materials Science and Engineering/WHUT第四章第四