高二物理竞赛晶体中的缺陷和扩散课件.pptx

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1、第四章 晶体中的缺陷和扩散一、晶格缺陷的基本类型二、热缺陷（空位、间隙原子和Frenkel缺陷）热缺陷：由于晶体中原子热振动能量的统计涨落所产生。间隙原子的平衡数目：u u n1 N exp kB T1v 热缺陷的平衡数目空位的平衡数目：n2 N exp kB T2 确定晶格振动谱的实验方法利用中子或光子受声子的非弹性散射来确定晶格振 动谱。v 中子的非弹性散射：确定晶格振动谱最常见也是最 有效的实验方法。v 可见光的非弹性散射：Raman散射：可见光光子受光学声子的非弹性散射 Brillouin散射：可见光光子受声学声子的非弹性散射 局限性：只能确定简约区中心附近很小一部分区域的振动谱v X

2、光的非弹性散射：缺点：X光光子的能量太高，很难 精确测定散射前后光子能量的变化。g w dw与温度有关的振动能：E T m m0w晶格热容晶格振动的总能量：g(w）：晶格振动模式密度；wm：截止频率E0 hwg w dwm m0w g w dw 3Nm m0wE E0 E T（三维简单晶格）晶体的零点能：晶格热容：CV kB g w dwv 实验：常温下，Dulong Petit定律：CV 6 cal/mol.K 低温下，T，CV ；T0，CV T3 0v Einstein模型：w w0const.g w d Nd w w0 d:晶体维数，N:晶体原胞数wkm m m m m m m m m

3、m m m2 2m0wEinstein温度：E 0Bh高温下：TQE ，CV 3R，与Dulong Petit定律一致低温下：T QD ，CV 3R，与Dulong Petit定律一致；低温下：TQD，声子的平均自由程主要取决于声 子与声子间的相互碰撞，声子的平均自由程与T成反比；在低温下，TQD，声子的平均自由程主要取决于声子与晶体中的杂质、缺陷及晶体边界等的碰撞。v晶格振动的总能量、零点能、晶格振动的模式密度、截止 频率和晶格热容量；v晶格热容的实验结果（高温下：Dulong-Petit定律，低温 下：T，CV；T0,CV T3）;v晶格热容的理论模型：Einstein模型和Debye模型

4、（基本 假设及模式密度、截止频率、特征温度、零点能等的计 算，晶格热容及其高温或低温极限）；v模式密度的一般表达式及特殊等频率面模式密度的求法；v晶体的热膨胀和晶格热传导与晶体的非简谐振动有关；v基本物理量的数量级（如简约区的宽度、一个典型声 子能量、Debye温度等）。Frenkel缺陷的平衡数目：nf exp 产生一个空位所需的能量u11eV，u1u2、uf，所以 空位是晶体中主要的热缺陷。v 热缺陷的运动 E2 间隙原子：n 2 n20 exp kB T 三、晶体中原子的扩散晶体中原子扩散的本质是原子无规的布朗运动 E1 空位：n 1 n10 exp kB T 不要求会求解扩散方程扩散系

5、数与温度的关系：D T D0 exp Q是扩散的激活能，在研究原子的扩散过程中，激活能 是一个相当重要的物理量。扩散第一定律：扩散第二定律：j D n D n n 2t 扩散的宏观规律扩散的微观机制v 空位机制：扩散原子通过与其周围的空位交换位置进 行扩散的主要适用：原子的自扩散以及替位式杂质或缺位式杂质的异扩散v 间隙原子机制：扩散原子以从一个间隙位置跳到另一 个间隙位置的方式进行扩散的主要适用：填隙式杂质的异扩散一般情况下，杂质原子在晶体中的异扩散系数大于 其自扩散系数。离子导电性离子晶体中的点缺陷带有电荷在外电场的作用下会 发生定向迁移，产生宏观电流。nq2n a2 E 离子导电率：s 6kB exp kB T T0s 0 Q s T exp RT Arrhenius关系：Einstein关系：位错v 位错的两种基本型：刃位错和螺位错v 位错的定义：Burgers矢量b 0的线缺陷 对于刃位错：Burgers矢量垂直于位错线 对于螺位错：Burgers矢量平行于位错线v 位错密度：rN/S，即单位面积上的位错露头数v 位错的观察：化学腐蚀、缀饰、形貌照相、电镜观察v 位错的产生：晶体的制备与加工过程中引入位错v 位错的增殖：L型位错源和U型位错源金属中位错的存在是造成金属的强度远低于其理论 值的最主要原因