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chp 7 晶体缺陷
晶体缺陷 实际晶体中常存在各种偏离理想结构的区域,即晶体缺陷。晶体缺陷对晶体的性质起着重要作用。 存在于晶体结构中的缺陷,按几何特征可分为: 7.1 点缺陷 一、点缺陷的形式与分类 金属晶体中,点缺陷的存在形式有:空位、间隙原子,置换原子。 半金属Si、Ge中掺入三价和五价杂质元素,晶体中产生载流子,得到P型(空穴)和N型(电子)半导体材料。 离子晶体中,单一点缺陷的出现,晶体将失去电平衡。为了保持电中性,多以复合点缺陷形式出现,形成能较高。 按形成原因分为三类: 热缺陷 由原子的热振动,形变加工,高能粒子轰击等,此类点缺陷浓度受热力学控制,尤其前者与温度有关。 Cv= f(T) 杂质缺陷 如掺杂、氧化或其他原因引入的外来原子或分子。 非化学计量 离子晶体的陶瓷、金属间化合物,通常以化合物为基形成固溶体。成分在分子式AxBy左右变化,此类点缺陷称为非化学计量点缺陷。 电子陶瓷中的这类点缺陷浓度,会随周围环境发生变化,是制造检测元件(传感器)的基础。 二、点缺陷的平衡浓度 与线缺陷、面缺陷不同,点缺陷在热力学上是稳定的,其平衡浓度随温度升高而增加。 设晶体中原子的正常位置数N,空位数目为n ; 形成一个空位所需的能量为Ev; n个空位的组态熵为Sc; 振动熵为nSv; 则体系自由能改变: 说明: 其它点缺陷也有类似的表达式,不同的只是形成能的高低、浓度大小不同而以。 复合点缺陷的形成能一般较高,浓度较低。 — 各点缺陷单元形成能之和 例: Frank缺陷形成能由空位形成能与间隙缺陷形 成能之和。 注:P202.(5-26)式错误 7.2 线缺陷 — 位错 切应变: 切应力: 晶体的理论切应力与实验值的比较(单位:N/mm2) 启示与设想: 实际晶体结构是非理想完整的,存在偏离正常排列的 原子结构 — 某种缺陷,并能在较小的应力下运动。 实际晶体的滑移是非同步刚性的,滑移首先从缺陷处 开始,滑移的继续靠缺陷的逐步传递而实现。 这种特殊的原子排列组态称为位错。 二、位错模型 1、刃型位错 刃型位错形成过程 刃型位错原子结构 ABCD — 滑移面 — 多余半原子面 — 已滑移区 — 未滑移区 位错核心区域的原子排列 晶体中由已滑移区与未滑移区的交界处,原子严重错排而造成的晶体缺陷称为位错。 E-F线称为位错线。由于它像刀刃,所以称为刃型位错。 正、负刃位错分别用“⊥”、“ ”表示。 特点: 位错线垂直于滑移矢量b,位错线与滑移矢量构成的面称为滑移面。 刃型位错周围的晶体产生畸变,使位错线周围产生弹性应变,造成应力场。 在位错线周围的畸变区原子有较高的能量,该区只有几个原子宽,所以该区称线缺陷。 2、螺位错 单晶受切应力τ作用,上下两部分晶体沿滑移面发生了部分滑移。 滑移区与未滑移区交线为EF, EF线周围的原子失去了正常排列。 它们围绕着EF构成了一个以EF为轴的螺旋面,这种晶体缺陷称为螺位错。 按旋进方向,螺位错分左旋与右旋两类。 表示方法: 3、混合型位错 如果晶体中已滑移区和未滑移区的交界线是曲线。其位错线与滑移矢量既不平行又不垂直,称为混合型位错。 结构特点: 位错线与滑移方向既不平行也不垂直,其原子排列介 于刃、螺位错之间。可分解成刃型和螺型分量。 电子显微镜下的位错线 三、柏氏矢量 — 定量描述位错的物理量 1、柏氏矢量的确定 ① 选定位错线的正方向 。 ② 在含有位错的晶体中,绕位错线沿好区作右旋 的闭合回路。 ③ 在完整晶体中作同样回路,它必然不能闭合。 ④ 从终点连向起点得 。 ★由此确定的柏氏矢量与柏氏回路的大小及形状无关,位错运动或形状发生变化时,其柏氏矢量不变。 螺位错柏氏矢量的确定: 混合型位错的柏氏矢量 2、柏氏矢量的意义 意义在于:通过比较反映出位错周围点阵畸变的总积累(包括强度和取向)。位错可定义为柏氏矢量不为零的晶体缺陷。 位错线是晶体滑移区与未滑移区的边界线,滑移区上下两部分晶体相对滑移的大小和方向就是 。 3、柏氏矢量的性质 (1)守恒性 a.一根位错线只有一个 ,运动过程中不变。 ∵ 是滑移区上下两部分晶体相对滑动的矢量。 例:位错环 的确定 b.几根位错线的节点处有: (2)连续性 位错线
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