晶体结构缺陷精选PPT.ppt

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1、关于晶体结构缺陷第1页，讲稿共94张，创作于星期二概述概述晶体晶体质点的排列严格按照质点的排列严格按照相应的空间点阵排列相应的空间点阵排列质点的排列总是或多或少的质点的排列总是或多或少的与理想点阵结构有所偏离与理想点阵结构有所偏离理想晶体理想晶体实际晶体实际晶体不存在不存在晶体结构缺陷晶体结构缺陷绝对零度下才可绝对零度下才可能出现能出现第2页，讲稿共94张，创作于星期二晶体缺陷晶体缺陷点缺陷点缺陷线缺陷线缺陷面缺陷面缺陷体缺陷体缺陷第3页，讲稿共94张，创作于星期二研究意义研究意义赋予材料性能赋予材料性能质点扩散的动力学基础质点扩散的动力学基础研发新材料研发新材料第4页，讲稿共94张，创作于星

2、期二3.1 点缺陷点缺陷一、点缺陷的分类一、点缺陷的分类二、点缺陷的符号表示法二、点缺陷的符号表示法三、热缺陷浓度的计算三、热缺陷浓度的计算四、点缺陷的化学平衡四、点缺陷的化学平衡第5页，讲稿共94张，创作于星期二一、点缺陷的分类一、点缺陷的分类 1、根据几何位置划分根据几何位置划分 1）填隙原子：原子进入晶体中正常结点之间的间隙位置，成为填）填隙原子：原子进入晶体中正常结点之间的间隙位置，成为填隙原子或间隙原子，如图隙原子或间隙原子，如图3-1（b）；）；2）空位：正常结点没有被原子或离子所占据，成为空位，如）空位：正常结点没有被原子或离子所占据，成为空位，如图图3-1（a）；）；第6页，讲

3、稿共94张，创作于星期二3）杂质原子：外来原子进入晶格就成为晶体中的杂质。）杂质原子：外来原子进入晶格就成为晶体中的杂质。这种杂质原子可以取代原来晶格中的原子而进入正常结这种杂质原子可以取代原来晶格中的原子而进入正常结点位置，这称为取代原子，如图点位置，这称为取代原子，如图3-1（d）（）（e），也可），也可以进入本来就没有原子的间隙位置，生成间隙式杂质原以进入本来就没有原子的间隙位置，生成间隙式杂质原子，如图子，如图3-1（c）。）。第7页，讲稿共94张，创作于星期二图图3-1 点缺陷的种类点缺陷的种类 第8页，讲稿共94张，创作于星期二2、根据缺陷产生原因划分、根据缺陷产生原因划分 l1）

4、热缺陷：当晶体的温度高于绝对）热缺陷：当晶体的温度高于绝对0K时，由于晶格内原子热时，由于晶格内原子热振动，使一部分能量较大的原子离开平衡位置而造成缺陷，这种振动，使一部分能量较大的原子离开平衡位置而造成缺陷，这种缺陷称为热缺陷。热缺陷有两种基本形式：弗仑克尔缺陷（缺陷称为热缺陷。热缺陷有两种基本形式：弗仑克尔缺陷（Frenkel defect）和肖特基缺陷）和肖特基缺陷(Schottky defect)。第9页，讲稿共94张，创作于星期二弗伦克尔缺陷弗伦克尔缺陷：在晶格热振动时，一些能量足够大的原子离：在晶格热振动时，一些能量足够大的原子离开平衡位置后，挤到晶格点的间隙中，形成间隙原子，而在

5、开平衡位置后，挤到晶格点的间隙中，形成间隙原子，而在原来位置上形成空位，这种缺陷称为弗仑克尔缺陷，如图原来位置上形成空位，这种缺陷称为弗仑克尔缺陷，如图3-2（a）所示；）所示；以苏联物理学家雅科夫以苏联物理学家雅科夫弗仑克尔（弗仑克尔（）名字命名）名字命名第10页，讲稿共94张，创作于星期二肖特基缺陷肖特基缺陷：如果正常格点上的原子，热起伏的过程中获得能：如果正常格点上的原子，热起伏的过程中获得能量离开平衡位置迁移到晶体的表面，在晶体内正常格点上留量离开平衡位置迁移到晶体的表面，在晶体内正常格点上留下空位，称为肖特基缺陷，如图下空位，称为肖特基缺陷，如图3-2（b）所示。）所示。以德国物理学

6、家沃尔特以德国物理学家沃尔特肖特基（肖特基（Walter Schottky）的名字命名）的名字命名 第11页，讲稿共94张，创作于星期二弗仑克尔缺陷弗仑克尔缺陷弗仑克尔缺陷的特点：弗仑克尔缺陷的特点：(a)间隙离子与空格点成对产生；间隙离子与空格点成对产生；(b)晶体的体积不发生改变。晶体的体积不发生改变。肖特基缺陷肖特基缺陷肖特基缺陷的特点：肖特基缺陷的特点：(a)正离子空位与负离子空位同时成对产生；正离子空位与负离子空位同时成对产生；(b)伴随有晶体体积的增加；伴随有晶体体积的增加；(c)肖特基缺陷的生成需要一个晶格上肖特基缺陷的生成需要一个晶格上混乱的区域，如晶界、位错、表面位置等。混乱

7、的区域，如晶界、位错、表面位置等。第12页，讲稿共94张，创作于星期二l2）杂质缺陷：杂质缺陷：外来原子进入晶体而产生的缺陷。包括间隙杂质原子和取代杂外来原子进入晶体而产生的缺陷。包括间隙杂质原子和取代杂质原子。质原子。l3）非化学计量结构缺陷：非化学计量结构缺陷：有一些化合物，它们的化学组成会明显随着周有一些化合物，它们的化学组成会明显随着周围气氛的性质和压力大小的变化而发生组成偏离化学计量的现象，称围气氛的性质和压力大小的变化而发生组成偏离化学计量的现象，称之为非化学计量缺陷，它是生成之为非化学计量缺陷，它是生成n型或型或p型半导体的基础。例如：型半导体的基础。例如：TiO2在还在还原气氛

8、下变为原气氛下变为TiO2-x（x=01），这是一种），这是一种n型半导体。型半导体。第13页，讲稿共94张，创作于星期二二、点缺陷的符号表示法二、点缺陷的符号表示法缺陷化学：凡从理论上定性定量的把材料中的点缺陷看作化学实物，并用缺陷化学：凡从理论上定性定量的把材料中的点缺陷看作化学实物，并用化学热力学的原理来研究缺陷的产生、平衡及其浓度等问题的一门学化学热力学的原理来研究缺陷的产生、平衡及其浓度等问题的一门学科称为缺陷化学。缺陷化学以晶体结构中的点缺陷作为研究对象，并科称为缺陷化学。缺陷化学以晶体结构中的点缺陷作为研究对象，并且点缺陷浓度不超过某一浓度值约为（且点缺陷浓度不超过某一浓度值约为

9、（0.1at%），在缺陷化学中，目前），在缺陷化学中，目前采用最广泛的是采用最广泛的是克罗格克罗格-明克明克(Kr ger-Vink)符号系统符号系统。第14页，讲稿共94张，创作于星期二克罗格克罗格-明克符号系统明克符号系统 第15页，讲稿共94张，创作于星期二1、缺陷符号的表示方法缺陷符号的表示方法（以（以MX离子晶体为例）离子晶体为例）1）空位：）空位：VM和和VX分别表示分别表示M原子空位和原子空位和X原子空位，原子空位，V表示缺陷种类，下标表示缺陷种类，下标M、X表示原子空位所在位置。表示原子空位所在位置。2）填隙原子：）填隙原子：Mi和和Xi分别表示分别表示M及及X原子原子处在晶格

10、间隙位置处在晶格间隙位置 3）错放位置：）错放位置：MX表示表示M原子被错放在原子被错放在X位置上，位置上，这种缺陷较少。这种缺陷较少。离子晶体中基本点缺陷类型离子晶体中基本点缺陷类型 VM=VM+2e VX=VX+2 h 第16页，讲稿共94张，创作于星期二4）溶质原子：）溶质原子：LM表示表示L溶质处在溶质处在M位置，位置，SX表示表示S溶质处在溶质处在X位置。位置。例：例：Ca取代了取代了MgO晶格中的晶格中的Mg写作写作CaMg，Ca若填若填隙在隙在MgO晶格中写作晶格中写作Cai。5）自由电子及电子空穴：自由电子用符号）自由电子及电子空穴：自由电子用符号e表示。电子空穴用表示。电子空

11、穴用符号符号h表示。它们都不属于某一个特定的原子所有，也不固定在表示。它们都不属于某一个特定的原子所有，也不固定在某个特定的原子位置。某个特定的原子位置。第17页，讲稿共94张，创作于星期二6）带电缺陷：发生在不同价离子之间的替代。）带电缺陷：发生在不同价离子之间的替代。例：例：Ca2+取代取代Na+，写作，写作CaNa，若，若Ca2+取代取代ZrO2晶体中的晶体中的Zr4+，则，则写成写成CaZr。7）缔合中心：例：）缔合中心：例：VM和和VX发生缔合可以写为：发生缔合可以写为：（VMVX），），类似的还有类似的还有(MiXi）等。等。第18页，讲稿共94张，创作于星期二2、缺陷反应方程式的

12、写法缺陷反应方程式的写法 1）位置关系：位置关系：在化合物在化合物MaXb中，中，M位置的数目必须永远和位置的数目必须永远和X位置的数目成一位置的数目成一个常数比个常数比a:b。2）位置变化：位置变化：当缺陷发生变化时，有可能引入当缺陷发生变化时，有可能引入M空位空位VM，也可能把，也可能把VM消除，消除，当引入空位或消除空位时，相当于增加或减少了当引入空位或消除空位时，相当于增加或减少了M的点阵位置数。的点阵位置数。讨论：讨论：VM、VX、MM、MX、XM、XX对结点位置数的多少有影响。对结点位置数的多少有影响。e、h.、Mi、Xi对结点位置数多少无影响。对结点位置数多少无影响。第19页，讲

13、稿共94张，创作于星期二3）质量平衡质量平衡：缺陷方程的两边必须保持质量平衡。缺陷符号：缺陷方程的两边必须保持质量平衡。缺陷符号的下标仅表示缺陷位置，对质量平衡不起作用。如的下标仅表示缺陷位置，对质量平衡不起作用。如VM为为M位置上的空位，它不存在质量。位置上的空位，它不存在质量。4）电荷守恒电荷守恒：在缺陷反应前后晶体必须保持电中性，即缺陷反应式：在缺陷反应前后晶体必须保持电中性，即缺陷反应式两边必须具有相同数目的总有效电荷。两边必须具有相同数目的总有效电荷。5）表面位置表面位置：当一个：当一个M原子从晶体内部迁移到表面时，用符号原子从晶体内部迁移到表面时，用符号Ms来表示。下标来表示。下标

14、s表示表面位置，在缺陷化学反应中表面位表示表面位置，在缺陷化学反应中表面位置一般不特别表示。置一般不特别表示。第20页，讲稿共94张，创作于星期二书写缺陷反应方程式的两条基本规律：书写缺陷反应方程式的两条基本规律：1、低价阳离子占据高价阳离子的位置，该位置带有负电荷。、低价阳离子占据高价阳离子的位置，该位置带有负电荷。为了保持电中性，会产生阴离子空位或间隙阳离子；为了保持电中性，会产生阴离子空位或间隙阳离子；2、高价阳离子占据低价阳离子位置时，该位置带有正电荷，为、高价阳离子占据低价阳离子位置时，该位置带有正电荷，为了保持电中性，会产生阳离子空位或间隙阴离子。了保持电中性，会产生阳离子空位或间

15、隙阴离子。第21页，讲稿共94张，创作于星期二举例：举例：例例1：TiO2在还原气氛下失去部分氧，生成在还原气氛下失去部分氧，生成TiO2-x的反应可以写的反应可以写为：为：第22页，讲稿共94张，创作于星期二例例2：CaCl2溶解在溶解在KCl中：中：产生产生K空位空位，合理，合理Cl-进入填隙位，不合进入填隙位，不合理理 Ca进入填隙进入填隙位，不合理位，不合理 第23页，讲稿共94张，创作于星期二例例3：MgO溶解到溶解到Al2O3晶格内形成有限置换型固溶体：晶格内形成有限置换型固溶体：合理合理不合理不合理第24页，讲稿共94张，创作于星期二3、热缺陷浓度的计算、热缺陷浓度的计算 热缺陷

16、浓度与温度的关系为：热缺陷浓度与温度的关系为：式中式中 缺陷浓度，用热缺陷在总晶格位置中所占的分数表示，缺陷浓度，用热缺陷在总晶格位置中所占的分数表示，G缺陷形成自由焓；缺陷形成自由焓；k波尔兹曼常数，波尔兹曼常数，k=1.3810-23JK-1。由此关系可见：由此关系可见：1）热缺陷浓度随温度升高呈指数上升；）热缺陷浓度随温度升高呈指数上升；2）热缺陷浓度随缺陷形成自由焓升高而下降。）热缺陷浓度随缺陷形成自由焓升高而下降。第25页，讲稿共94张，创作于星期二缺陷浓度缺陷浓度1eV2eV4eV6eV8eVn/N在在100210-7310-14110-27310-41110-54n/N在在500

17、610-4310-7110-13310-20810-37n/N在在800410-3210-5410-10810-15210-19n/N在在1000110-2110-4110-8110-12110-16n/N在在1200210-2410-4110-7510-11210-14n/N在在1500410-2110-4210-6310-9410-12n/N在在1800610-2410-3110-5510-8210-10n/N在在2000810-2610-3410-5210-7110-9表表3-1 不同温度下的缺陷浓度表不同温度下的缺陷浓度表 第26页，讲稿共94张，创作于星期二3.2 固溶体固溶体l一、

18、概述一、概述l二、固溶体的分类二、固溶体的分类l三、置换型固溶体三、置换型固溶体l四、组分缺陷四、组分缺陷 l五、填隙型固溶体五、填隙型固溶体l六、形成固溶体后对晶体性质的影响六、形成固溶体后对晶体性质的影响 第27页，讲稿共94张，创作于星期二一、概述1、定义定义：凡在固态条件下，一种组分（溶剂）内：凡在固态条件下，一种组分（溶剂）内“溶解溶解”了其他组分（溶质）而形成的单一、均匀了其他组分（溶质）而形成的单一、均匀的晶态固体称为的晶态固体称为固溶体固溶体。含量较高的组分称为含量较高的组分称为溶剂溶剂（或称为（或称为主晶相、基质主晶相、基质），），把掺杂原子或杂质称为把掺杂原子或杂质称为溶质

19、溶质。第28页，讲稿共94张，创作于星期二注意注意：结构基元之间是以原子尺度相互混合的结构基元之间是以原子尺度相互混合的；不破坏原有晶体结构不破坏原有晶体结构；点缺陷范围内的晶体结构缺陷点缺陷范围内的晶体结构缺陷。2、与化合物、机械混合物的区别、与化合物、机械混合物的区别第29页，讲稿共94张，创作于星期二表表3-3固溶体、机械混合物、化合物三者之间的区别固溶体、机械混合物、化合物三者之间的区别固溶体固溶体机械混合物机械混合物化合物化合物形成原因形成原因以原子尺寸以原子尺寸“溶解溶解”生成生成粉末混合粉末混合原子间相互反应生成原子间相互反应生成物系相数物系相数均匀单相系统均匀单相系统多相系统多

20、相系统均匀单相系统均匀单相系统化学计量化学计量不遵循定比定律不遵循定比定律遵循定比定律遵循定比定律结构结构与原始组分中主晶体（溶剂）与原始组分中主晶体（溶剂）相同相同与原始组分不相同与原始组分不相同第30页，讲稿共94张，创作于星期二3、研究意义：、研究意义：采用固溶原理来制造各种新型的无机材料采用固溶原理来制造各种新型的无机材料 PbTiO3和和PbZrO3生成的锆钛酸铅压电陶瓷生成的锆钛酸铅压电陶瓷Pb(ZrxTi1-x)O3材料材料广泛应用于电子、无损检测、医疗等技术领域。广泛应用于电子、无损检测、医疗等技术领域。Si3N4与与Al2O3之间形成之间形成Sialon固溶体应用于高温结构材

21、料等。固溶体应用于高温结构材料等。第31页，讲稿共94张，创作于星期二二、固溶体的分类1 1、按溶质原子在溶剂晶格中的位置划分、按溶质原子在溶剂晶格中的位置划分 1 1）取代（置换）型固溶体：取代（置换）型固溶体：溶质原子进入晶格后可以进入原来溶质原子进入晶格后可以进入原来晶格中正常结点位置生成取代型固溶体。晶格中正常结点位置生成取代型固溶体。图图3-5 MgO-CoO系固溶体结构系固溶体结构 第32页，讲稿共94张，创作于星期二2）填隙（间隙）型固溶体填隙（间隙）型固溶体：杂质原子如果进入溶剂晶：杂质原子如果进入溶剂晶格中的间隙位置就生成填隙型固溶体。格中的间隙位置就生成填隙型固溶体。第33

22、页，讲稿共94张，创作于星期二2、按溶质原子在溶剂晶格中的溶解度划分、按溶质原子在溶剂晶格中的溶解度划分1）连续固溶体（无限固溶体、完全互溶固溶体）：溶质和溶剂可以以任意比）连续固溶体（无限固溶体、完全互溶固溶体）：溶质和溶剂可以以任意比例相互固溶。溶剂与溶质是相对的。例相互固溶。溶剂与溶质是相对的。图图3-6 MgO-CoO系统相图（连续固溶体）系统相图（连续固溶体）第34页，讲稿共94张，创作于星期二2）有限固溶体（不连续固溶体、部分互溶固溶体）：溶质只）有限固溶体（不连续固溶体、部分互溶固溶体）：溶质只能以一定的限量溶入溶剂，超过这一限量就出现第二相。能以一定的限量溶入溶剂，超过这一限量

23、就出现第二相。图图3-7 MgO-CaO系统相图（有限固溶体）系统相图（有限固溶体）第35页，讲稿共94张，创作于星期二三、三、置换型固溶体置换型固溶体二十世纪三十年代，休谟二十世纪三十年代，休谟-罗杰里（罗杰里（Hume-Rothery）总结了若干经验）总结了若干经验规律，认为生成连续置换型固溶体需符合以下条件。规律，认为生成连续置换型固溶体需符合以下条件。1、离子尺寸因素、离子尺寸因素（1）如如 ，则此系统有可能形成连续固溶体，则此系统有可能形成连续固溶体；第36页，讲稿共94张，创作于星期二（2）如）如 ，则它们之间只可能形成有，则它们之间只可能形成有限置换型固溶体；限置换型固溶体；（3

24、）如）如 ，则该系统不可能或很难形成，则该系统不可能或很难形成固溶体。固溶体。第37页，讲稿共94张，创作于星期二2、离子晶体的结构类型：、离子晶体的结构类型：形成连续固溶体的二元系形成连续固溶体的二元系统中，两个组分必须具有相同的结构类型。统中，两个组分必须具有相同的结构类型。二元系统中两个组分具有相同的晶体结构类型：二元系统中两个组分具有相同的晶体结构类型：MgO-NiO、Al2O3-Cr2O3、ThO2-UO2、Mg2SiO4-Fe2SiO4、PbZrO3-PbTiO3系统系统 等，都能形成连续固溶体。等，都能形成连续固溶体。第38页，讲稿共94张，创作于星期二3、离子电价：、离子电价：

25、只有离子价相同或离子价总和相等时才能形成连只有离子价相同或离子价总和相等时才能形成连续置换型固溶体。续置换型固溶体。单一离子电价相等：如单一离子电价相等：如MgO-NiO，Al2O3-Cr2O3等系统等系统；两种以上不同离子组合起来满足电中性取代的条件：如钙长石两种以上不同离子组合起来满足电中性取代的条件：如钙长石CaAl2Si2O8和钠长石和钠长石NaAlSi3O8 固溶系统；固溶系统；PbZrO3-PbTiO3 系统。系统。第39页，讲稿共94张，创作于星期二4、电负性：电负性相近，有利于固溶体的生成，电、电负性：电负性相近，有利于固溶体的生成，电负性差别大，倾向于生成化合物。负性差别大，

26、倾向于生成化合物。电负性之差在电负性之差在0.4 之内是衡量固溶度大小的边界。之内是衡量固溶度大小的边界。0.40.1565%具有很大的固溶度具有很大的固溶度第40页，讲稿共94张，创作于星期二四、组分缺陷（不等价置换固溶体）四、组分缺陷（不等价置换固溶体）1、定义：在不等价置换的固溶体中，为了保持晶体的电中性，必然、定义：在不等价置换的固溶体中，为了保持晶体的电中性，必然会在晶体结构中产生组分缺陷。即在原来结构的结点位置产生空会在晶体结构中产生组分缺陷。即在原来结构的结点位置产生空位，也可能在原来没有结点的位置嵌入新的结点。位，也可能在原来没有结点的位置嵌入新的结点。组分缺陷仅发组分缺陷仅发

27、生在不等价置换固溶体中，其缺陷浓度取决于掺杂量和固溶度。生在不等价置换固溶体中，其缺陷浓度取决于掺杂量和固溶度。第41页，讲稿共94张，创作于星期二2、类型：、类型：（1）高价置换低价：）高价置换低价：阴离子进入间隙或阳离子出现空位阴离子进入间隙或阳离子出现空位（2）低价置换高价：阴离子出现空位或阳离子进入间隙）低价置换高价：阴离子出现空位或阳离子进入间隙第42页，讲稿共94张，创作于星期二3、研究意义、研究意义组分缺陷组分缺陷产生空位或间隙产生空位或间隙 晶格显著畸变，晶格活化晶格显著畸变，晶格活化 降低难熔氧化物的烧结温度降低难熔氧化物的烧结温度 晶型转变稳定剂晶型转变稳定剂 不等价掺杂产

28、生补偿电子缺陷，不等价掺杂产生补偿电子缺陷，形成形成n型半导体或型半导体或p型半导体型半导体 第43页，讲稿共94张，创作于星期二五、填隙型固溶体五、填隙型固溶体1、形成条件、形成条件1）溶质原子的半径小和溶剂晶格结构空隙大容易形）溶质原子的半径小和溶剂晶格结构空隙大容易形成填隙型固溶体。成填隙型固溶体。沸石沸石 CaF2 TiO2MgO架架状状结结构构萤萤石石结结构构金金红红石石型型结结构构NaCl型型结结构构第44页，讲稿共94张，创作于星期二2）形成填隙型固溶体也必须保持结构中的电中性。）形成填隙型固溶体也必须保持结构中的电中性。形成填隙型固溶体，一般都使晶格常数增大，增加形成填隙型固溶

29、体，一般都使晶格常数增大，增加达一定程度后，使固溶体不稳定而离解。故达一定程度后，使固溶体不稳定而离解。故填隙填隙型固溶体不可能是连续型固溶体型固溶体不可能是连续型固溶体。第45页，讲稿共94张，创作于星期二2、填隙型固溶体实例、填隙型固溶体实例1）原子填隙：金属晶体中，原子半径较小的）原子填隙：金属晶体中，原子半径较小的H、C、B元素易进元素易进入晶格间隙中形成填隙型固溶体。钢就是碳在铁中的填隙型入晶格间隙中形成填隙型固溶体。钢就是碳在铁中的填隙型固溶体。固溶体。2）阳离子填隙：）阳离子填隙：第46页，讲稿共94张，创作于星期二3）阴离子填隙：）阴离子填隙：类质同象（类质同晶）：类质同象（类

30、质同晶）：物质结晶时，其晶体结构中原有离子物质结晶时，其晶体结构中原有离子或原子的配位位置被介质中部分性质相似的它种离子或原子所或原子的配位位置被介质中部分性质相似的它种离子或原子所占有，共同结晶成均匀的呈单一相的混合晶体，但不引起键性占有，共同结晶成均匀的呈单一相的混合晶体，但不引起键性和晶体结构发生质变的现象。和晶体结构发生质变的现象。第47页，讲稿共94张，创作于星期二六、形成固溶体后对晶体性质的影响六、形成固溶体后对晶体性质的影响 1、稳定晶格，防止晶型转变的发生、稳定晶格，防止晶型转变的发生 2、活化晶格、活化晶格3、固溶强化、固溶强化第48页，讲稿共94张，创作于星期二非化学计量化

31、合物非化学计量化合物：普通化学中，定比定律认为，化合物中不同普通化学中，定比定律认为，化合物中不同原子的数量要保持固定的比例。但在实际化合物中，有一些并不原子的数量要保持固定的比例。但在实际化合物中，有一些并不符合定比定律，正负离子的比例并不是一个简单的固定比例关系，符合定比定律，正负离子的比例并不是一个简单的固定比例关系，这些化合物称为非化学计量化合物。这是一种由于在这些化合物称为非化学计量化合物。这是一种由于在组成上偏离组成上偏离化学计量而产生的缺陷。化学计量而产生的缺陷。3.3 非化学计量化合物非化学计量化合物第49页，讲稿共94张，创作于星期二3.3 非化学计量化合物非化学计量化合物l

32、一、阴离子缺位型一、阴离子缺位型l二、阳离子填隙型二、阳离子填隙型l三、阴离子填隙型三、阴离子填隙型 l四、阳离子缺位型四、阳离子缺位型第50页，讲稿共94张，创作于星期二一、阴离子缺位型一、阴离子缺位型缺氧的缺氧的TiO2可以看作是四价钛和三价钛氧化物的固溶体，其缺陷反应如下：可以看作是四价钛和三价钛氧化物的固溶体，其缺陷反应如下：TiO2-x结构缺陷示意图结构缺陷示意图 第51页，讲稿共94张，创作于星期二式中式中e=TiTi。根据质量作用定律，平衡时：。根据质量作用定律，平衡时：由晶体电中性条件：由晶体电中性条件：第52页，讲稿共94张，创作于星期二TiO2-x结构缺陷示意图结构缺陷示意

33、图 在氧空位上捕获两个电在氧空位上捕获两个电子，成为一种子，成为一种F-色心。色心。第53页，讲稿共94张，创作于星期二色心：由于电子补偿而引起的一种缺陷。一些晶体受到色心：由于电子补偿而引起的一种缺陷。一些晶体受到X射线、射线、射线、中子或电子辐射线、中子或电子辐照，往往会产生颜色。例如，金刚石用电子轰击，产生蓝色；石英在反应堆中用中照，往往会产生颜色。例如，金刚石用电子轰击，产生蓝色；石英在反应堆中用中子辐照后，产生棕色。这些颜色的产生是由于辐照破坏晶格，并产生各种类型的点子辐照后，产生棕色。这些颜色的产生是由于辐照破坏晶格，并产生各种类型的点缺陷的缘故。为在缺陷区域保持电中性，过剩的电子

34、或过剩的正电荷（电子空穴）缺陷的缘故。为在缺陷区域保持电中性，过剩的电子或过剩的正电荷（电子空穴）就处在缺陷位置上，就处在缺陷位置上，与原子周围的电子具有一系列允许分离的能级一样，束缚在点与原子周围的电子具有一系列允许分离的能级一样，束缚在点缺陷上的电荷，也具有这样的一组能级。这些允许能级就相当于在可见光谱区域的缺陷上的电荷，也具有这样的一组能级。这些允许能级就相当于在可见光谱区域的光子能级，因而在缺陷位置上也就能吸收一定波长的光，这样材料就出现某种颜色。光子能级，因而在缺陷位置上也就能吸收一定波长的光，这样材料就出现某种颜色。研究最详细的色心是研究最详细的色心是F-色心（色心（F-Cente

35、r,由德语由德语Farbe-Colout而得），它是由一个阴离子空位而得），它是由一个阴离子空位和一个在此位置上的电子组成。和一个在此位置上的电子组成。第54页，讲稿共94张，创作于星期二二、阳离子填隙型二、阳离子填隙型Zn1+xO和和Cd1+xO属于这种类型：属于这种类型：缺陷反应式如下：缺陷反应式如下：由于间隙阳离子使金属离子过剩型结构由于间隙阳离子使金属离子过剩型结构 第55页，讲稿共94张，创作于星期二根据质量作用定律：根据质量作用定律：在平衡时，在平衡时，Zni=e，将此关系代入上式得：，将此关系代入上式得：与上述反应同时进行的还有氧化反应与上述反应同时进行的还有氧化反应：Zn(g)

36、+1/2O2=ZnO第56页，讲稿共94张，创作于星期二三、阴离子填隙型三、阴离子填隙型目前只发现目前只发现UO2+x有这种缺陷产生。它可以看作是有这种缺陷产生。它可以看作是U2O5在在UO2中的中的固溶体。固溶体。其缺陷反应为：其缺陷反应为：等价于等价于：由于存在间隙阴离子，由于存在间隙阴离子，使阴离子过剩型结构缺陷使阴离子过剩型结构缺陷 第57页，讲稿共94张，创作于星期二根据质量作用定律：根据质量作用定律：由于由于h=2Oi，由此可得：，由此可得：随着氧分压的提高，间隙氧浓度增大，这种类型的缺陷随着氧分压的提高，间隙氧浓度增大，这种类型的缺陷化合物是化合物是P型半导体。型半导体。第58页

37、，讲稿共94张，创作于星期二四、阳离子缺位型四、阳离子缺位型 Cu2-xO和和Fe1-xO属于这种类型属于这种类型。其缺陷反应如下：。其缺陷反应如下：或或 上式等价于上式等价于：阳离子空位的存在，引起离子过剩型结构缺陷阳离子空位的存在，引起离子过剩型结构缺陷 第59页，讲稿共94张，创作于星期二根据质量作用定律可得：根据质量作用定律可得：由于由于OO1，h.=2VFe，由此可得：由此可得：即随着氧分压增加，电子空穴浓度增大，电导率也相应升即随着氧分压增加，电子空穴浓度增大，电导率也相应升高。高。第60页，讲稿共94张，创作于星期二五、非化学计量化合物的性质五、非化学计量化合物的性质 1）非化学

38、计量化合物的产生及其缺陷的浓度与气氛的）非化学计量化合物的产生及其缺陷的浓度与气氛的性质及气压的大小有关，这是它与其它缺陷不同点之性质及气压的大小有关，这是它与其它缺陷不同点之一。一。2）非化学计量化合物可以看成是变价元素中的高价态）非化学计量化合物可以看成是变价元素中的高价态与低价态氧化物之间由于环境中氧分压的变化而形成与低价态氧化物之间由于环境中氧分压的变化而形成的固溶体。的固溶体。第61页，讲稿共94张，创作于星期二3）缺陷浓度与温度有关，这点可以从平衡常数看出。随温）缺陷浓度与温度有关，这点可以从平衡常数看出。随温度升高，缺陷浓度增加。度升高，缺陷浓度增加。4）非化学计量化合物都是半导

39、体。这为制造半导体元件开辟了一个）非化学计量化合物都是半导体。这为制造半导体元件开辟了一个新途径，半导体材料分为两大类：一是掺杂半导体，如新途径，半导体材料分为两大类：一是掺杂半导体，如Si、Ge中中掺杂掺杂B、P，Si中掺中掺P为为n型半导体；二是非化学计量化合物半型半导体；二是非化学计量化合物半导体，即上面所介绍的这几类。导体，即上面所介绍的这几类。第62页，讲稿共94张，创作于星期二3.4 位错位错l一、位错的概念一、位错的概念l二、完整晶体的塑性变形方式二、完整晶体的塑性变形方式l三、位错的基本类型三、位错的基本类型第63页，讲稿共94张，创作于星期二一、位错的概念一、位错的概念1、定

40、义：实际晶体在结晶时，受到杂质、温度变化或振动产生、定义：实际晶体在结晶时，受到杂质、温度变化或振动产生的应力作用或晶体由于受到打击、切割等机械应力作用，使的应力作用或晶体由于受到打击、切割等机械应力作用，使晶体内部原子排列变形，原子行列间相互滑移，不再符合理晶体内部原子排列变形，原子行列间相互滑移，不再符合理想晶体的有序排列，形成想晶体的有序排列，形成线状缺陷线状缺陷，这种线状缺陷称为位错。，这种线状缺陷称为位错。第64页，讲稿共94张，创作于星期二2、起源：、起源：塑性变形理论塑性变形理论滑移模型，滑移模型，1920线缺陷（位错）模型线缺陷（位错）模型,1934建立位错理论建立位错理论,1

41、956第65页，讲稿共94张，创作于星期二二、完整晶体的塑性变形方式二、完整晶体的塑性变形方式 1、滑移：在外力作用下，晶体的一部分相对于另一、滑移：在外力作用下，晶体的一部分相对于另一部分，沿着一定晶面的一定晶向发生平移，使晶体部分，沿着一定晶面的一定晶向发生平移，使晶体面上的原子从一个平衡位置平移到另一个平衡位置，面上的原子从一个平衡位置平移到另一个平衡位置，此过程称为此过程称为滑移滑移。与此同时，晶体发生了塑性变。与此同时，晶体发生了塑性变形。形。第66页，讲稿共94张，创作于星期二滑移的结果：塑性变形，滑移的结果：塑性变形，表面形成台阶。表面形成台阶。外力作用下晶体滑移示意图（微观）外

42、力作用下晶体滑移示意图（微观）第67页，讲稿共94张，创作于星期二外力作用下晶体滑移示意图外力作用下晶体滑移示意图（a）滑移前；（）滑移前；（b）滑移后）滑移后 单晶试棒在拉伸应力作用下的变形单晶试棒在拉伸应力作用下的变形（a）变形前；（）变形前；（b）变形后）变形后 第68页，讲稿共94张，创作于星期二三、位错的基本类型三、位错的基本类型晶体在不同的应力状态下，其滑移方式不同。根据原子的滑晶体在不同的应力状态下，其滑移方式不同。根据原子的滑移方向和位错线取向的几何特征不同，位错可分为以下三移方向和位错线取向的几何特征不同，位错可分为以下三种类型：种类型：1、刃位错；、刃位错；2、螺位错；、螺

43、位错；3、混合位错、混合位错第69页，讲稿共94张，创作于星期二1、刃位错、刃位错1）刃位错的产生）刃位错的产生半原子面半原子面（EFGH）位错线位错线EF刃位错示意图刃位错示意图 第70页，讲稿共94张，创作于星期二2）几何特征）几何特征位错线与原子滑移方向（即伯氏矢量位错线与原子滑移方向（即伯氏矢量b）相垂直；）相垂直；滑移面上部位错线周围原子受压应力作用，原子间距小于正常滑移面上部位错线周围原子受压应力作用，原子间距小于正常晶格间距；晶格间距；滑移面下部位错线周围原子受张应力作用，原子间距大于滑移面下部位错线周围原子受张应力作用，原子间距大于正常晶格间距。正常晶格间距。第71页，讲稿共9

44、4张，创作于星期二3）表示符号：）表示符号：如果半个原子面在滑移面上方，称为如果半个原子面在滑移面上方，称为正刃位错，以符号正刃位错，以符号“”表示表示；反之称为；反之称为负刃位错，以符号负刃位错，以符号“”表示表示。符号中水。符号中水平线代表滑移面，垂直线代表半个原子面。平线代表滑移面，垂直线代表半个原子面。正刃位错正刃位错负刃位错负刃位错第72页，讲稿共94张，创作于星期二2、螺位错、螺位错1）螺位错的产生）螺位错的产生位位错错线线EF螺位错形成示意图螺位错形成示意图 a）与螺位错垂直的晶面的形状）与螺位错垂直的晶面的形状（b）螺位错滑移面两侧晶面上原子的滑移情况）螺位错滑移面两侧晶面上原

45、子的滑移情况第73页，讲稿共94张，创作于星期二2）几何特征）几何特征位错线与原子滑移方向平行；位错线与原子滑移方向平行；位错线周围原子的配置是螺旋状的，即形成螺位错后，原来位错线周围原子的配置是螺旋状的，即形成螺位错后，原来与位错线垂直的晶面，变为以位错线为中心轴的螺旋面。与位错线垂直的晶面，变为以位错线为中心轴的螺旋面。第74页，讲稿共94张，创作于星期二3）表示符号）表示符号 螺位错有左、右旋之分，螺位错有左、右旋之分，分别以符号分别以符号“”和和“”表示。其表示。其中小圆点代表与该点垂直的位错，旋转箭头表示螺旋的中小圆点代表与该点垂直的位错，旋转箭头表示螺旋的旋转方向。它们之间符合左手

46、、右手螺旋定则。旋转方向。它们之间符合左手、右手螺旋定则。第75页，讲稿共94张，创作于星期二3、混合位错、混合位错 如果在外力如果在外力作用下，两部分之间发生相对滑移，在晶体内部已作用下，两部分之间发生相对滑移，在晶体内部已滑移部分和未滑移部分的交线既不垂直也不平行滑移方向（伯氏滑移部分和未滑移部分的交线既不垂直也不平行滑移方向（伯氏矢量矢量b），这样的位错称为混合位错。如下图所示。位错线上），这样的位错称为混合位错。如下图所示。位错线上任一点，经矢量分解后，可分解为刃位错与螺位错分量。任一点，经矢量分解后，可分解为刃位错与螺位错分量。第76页，讲稿共94张，创作于星期二混合位错（混合位错（

47、a）混合位错的形成；）混合位错的形成；（b）混合位错分解为刃位错与螺位错示意图）混合位错分解为刃位错与螺位错示意图 第77页，讲稿共94张，创作于星期二四、位错的伯格斯矢量四、位错的伯格斯矢量位错线在几何上的两个特征：位错线在几何上的两个特征：位错线的方向位错线的方向，它表明给定点上位错线的取向，由人们的观察，它表明给定点上位错线的取向，由人们的观察方位来决定，是人为规定的；方位来决定，是人为规定的；是位错线的伯格斯矢量是位错线的伯格斯矢量b，它表明晶体中有位错存在时，滑移面，它表明晶体中有位错存在时，滑移面一侧质点相对于另一侧质点的相对滑移或畸变，由伯格斯于一侧质点相对于另一侧质点的相对滑移

48、或畸变，由伯格斯于1939年首先提出，故称为年首先提出，故称为伯格斯矢量伯格斯矢量，简称为，简称为伯氏矢量伯氏矢量。第78页，讲稿共94张，创作于星期二1、位错线与伯格斯矢量的关系、位错线与伯格斯矢量的关系 1）刃位错）刃位错 刃位错的伯氏矢量与位错线垂直，即刃位错的伯氏矢量与位错线垂直，即 由此可以推断，刃位错可以是任意形状，但由此可以推断，刃位错可以是任意形状，但与刃位错相联系的半与刃位错相联系的半个原子面一定是平面个原子面一定是平面，或者说一根刃位错线一定在同一平面，或者说一根刃位错线一定在同一平面上。上。第79页，讲稿共94张，创作于星期二各种形状的刃位错（各种形状的刃位错（a）ABC

49、DE折线是位错线（折线是位错线（b）ABC折线是位错线折线是位错线（c）EFGH环是位错线环是位错线第80页，讲稿共94张，创作于星期二2）螺位错）螺位错 螺位错的伯格斯矢量与位错线平行，故螺位错线是一条直线。螺位错的伯格斯矢量与位错线平行，故螺位错线是一条直线。右型螺位错；右型螺位错；左型螺位错。左型螺位错。第81页，讲稿共94张，创作于星期二3）混合位错）混合位错混合位错的伯氏矢量既不平行也不垂直于位错线，故混合混合位错的伯氏矢量既不平行也不垂直于位错线，故混合位错是由刃位错与螺位错叠加而成。位错是由刃位错与螺位错叠加而成。第82页，讲稿共94张，创作于星期二3.5 面缺陷面缺陷一、晶界一

50、、晶界二、堆积层错二、堆积层错三、反应孪晶面三、反应孪晶面第83页，讲稿共94张，创作于星期二一、晶界一、晶界晶界也称为位错界面，是不同取向的晶粒之间的界面。晶界也称为位错界面，是不同取向的晶粒之间的界面。根据区域间取向的几何关系不同，界面分为位错界面、孪晶界面根据区域间取向的几何关系不同，界面分为位错界面、孪晶界面和平移界面。和平移界面。根据界面上质点排列情况不同有共格、半共格和非共格界面。根据界面上质点排列情况不同有共格、半共格和非共格界面。位错界面包括亚晶界和小角度晶界等。位错界面包括亚晶界和小角度晶界等。第84页，讲稿共94张，创作于星期二晶界示意图晶界示意图第85页，讲稿共94张，创