五章节晶体缺陷.ppt

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1、五章节晶体缺陷 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望 与理想晶体有一些差异。如：与理想晶体有一些差异。如：存在表面与界面，处于晶体表面的原子或离存在表面与界面，处于晶体表面的原子或离子与体内的不同；子与体内的不同；原子或离子脱离平衡位置形成空位；原子或离子脱离平衡位置形成空位；存在杂质原子存在杂质原子;有热振动；有热振动；偏离化学计量比。偏离化学计量比。实际晶体实际晶体：晶体缺陷晶体缺陷的存在，破坏了完美晶体的有的存在，破坏了完美晶体的有序性，引起晶体内

2、能序性，引起晶体内能U U和熵和熵S S增加。增加。按缺陷在空间的几何构型可将缺陷分为按缺陷在空间的几何构型可将缺陷分为点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷。它们分别取决于缺陷的延伸范围是零维、它们分别取决于缺陷的延伸范围是零维、一维、二维还是三维来近似描述。一维、二维还是三维来近似描述。每一类缺陷都会对晶体的性能产生很大每一类缺陷都会对晶体的性能产生很大影响，例如点缺陷会影响晶体的电学、光影响，例如点缺陷会影响晶体的电学、光学等性能，线缺陷会严重影响晶体的强度学等性能，线缺陷会严重影响晶体的强度等机械性能。等机械性能。5-1 5-1 点缺陷点缺陷 是是由于热运动由于热

3、运动,晶体中以空位、间隙晶体中以空位、间隙原子、杂质原子为中心，在一个或几原子、杂质原子为中心，在一个或几个原子尺寸范围的微观区域内形成的个原子尺寸范围的微观区域内形成的畸变区域。畸变区域。点缺陷是是晶体中最简单、最常见点缺陷是是晶体中最简单、最常见或者说一定存在的缺陷形式。或者说一定存在的缺陷形式。一、点缺陷的类型一、点缺陷的类型（1）肖脱基（肖脱基（Schottky）缺陷缺陷 晶晶体体内内部部格格点点上上的的原原子子或或离离子子运运动动到表面，在晶体内留到表面，在晶体内留空位空位。形成一个空位所需的能量形成一个空位所需的能量(1eV)（2）费伦克尔（费伦克尔（Frenkel）缺陷缺陷 如果

4、晶体内部格点上的原子移如果晶体内部格点上的原子移到晶格间隙位置形成间隙原子，同到晶格间隙位置形成间隙原子，同时在原来的格点位置上留下空位时在原来的格点位置上留下空位。形成形成空位空位-间隙原子。间隙原子。动画 晶体缺陷晶体缺陷GT011,012（3）填隙原子缺陷填隙原子缺陷 形成填隙原子的几率与原子半形成填隙原子的几率与原子半径和晶体结构相关。对多数晶体，径和晶体结构相关。对多数晶体，形成填隙缺陷需要更大的能量。形成填隙缺陷需要更大的能量。形成一个间隙原子所需能量形成一个间隙原子所需能量(5eV)通常晶体中主要的热缺陷是空位。通常晶体中主要的热缺陷是空位。（4）色心色心 色色心心是是一一种种非

5、非化化学学计计量量比比引引起起的的空空位位缺缺陷陷。该该空空位位能能够够吸吸收收可可见见光光使使原原来来透透明明的的晶晶体体出出现现颜颜色色，因因而而称称它它们为们为色心色心。F F心心是是离离子子晶晶体体中中的的一一个个负负离离子子空空位位束束缚缚一个电子构成的点缺陷。一个电子构成的点缺陷。形形成成过过程程是是碱碱卤卤晶晶体体在在相相应应的的过过量量碱碱金金属属蒸蒸汽汽中中加加热热，例例如如：NaClNaCl晶晶体体在在NaNa蒸蒸汽汽中中加加热热后后呈呈黄黄色色；KClKCl晶晶体体在在K K蒸蒸汽汽中中加加热热后后呈呈紫紫色色；LiFLiF在在LiLi蒸汽中加热后呈粉红色。蒸汽中加热后呈

6、粉红色。动画 晶体缺陷 GT019 与F心相对的色心是V心。当碱卤晶体在过量的卤素蒸汽中加热后，由于大量的卤素进入晶体，为保持电中性，在晶体中出现了正离子空位,形成负电中心。这种负电中心可以束缚一个带正电的“空穴”所组成的体系称为V心。V心和F心在结构上是碱卤晶体中两种最简单的缺陷。在有色心存在的晶体中，A、B两种元素的比例已偏离严格的化学计量比。所以色心也是一种非化学计量引起的缺陷。二、杂质原子 当杂质原子取代基质原子占据规则的格点位置时，形成替位式杂质；若杂质原子占据间隙位置，形成间隙式杂质。替位式杂质在晶体中的固溶限决定于晶体结构、原子（离子）半径、电负性和化学价等因素。杂质通常引起并存的电子缺陷，从而明显的改变材料的导电性。例如：Si晶体中含有As5+、P5时，由于金刚石四面体键仅需4个电子，所以每个As、P多了一个电子；如果Si晶体中含有三价原子时，由于共价键中缺少一个电子而形成电子空位；这种掺杂的Si晶体都因杂质原子的存在而是电导率有很大提高。缺陷能级杂质的补偿