第3章-晶体结构缺陷.ppt

Chapter 3　晶体结构缺陷(defects of Crystal structure);;研究缺陷的意义：由于缺陷的存在，才使晶体表现出各种各样的性质，使材料加工、使用过程中的各种性能得以有效控制和改变，使材料性能的改善和复合材料的制备得以实现。因此，了解缺陷的形成及其运动规律，对材料工艺过程的控制，对材料性能的改善，对于新型材料的设计、研究与开发具有重要意义。;3.1　晶体结构缺陷的类型;;“金无足赤，人无完人” 每“k”含金量为4.166%， 18k=18×4.166%=74.998%, 24k=24×4.166%=99.984% ; 点缺陷（point defect）：是指发生在晶格中一个或几个原子尺度的缺陷，又称零维缺陷。;;热缺陷-本征缺陷;（1） Frankel 缺 陷;（2） Schttky 缺 陷;CaF2晶胞结构; 杂质缺陷;特征：如果杂质的含量在固溶体的溶解度范围内，则杂质缺陷的浓度与温度无关。;非化学计量结构缺陷;;辐照缺陷是指材料在辐照之下所产生的结构的不完整性。产生色心（Color center）、位错环等。辐照对金属、非金属、高分子材料的损伤效应是不同的。 如中子辐照-导致金属产生间隙原子和空位。; 图2-2 点缺陷的类型 ???????? ;以下几个示意图各为何种点缺陷？; 3.2.1　点缺陷的符号表征－Kroger-Vink符号; 空位（Vacancy）： 填隙原子（interstitial）： 错位原子 自由电子及电子空穴 带电缺陷 缔合中心;如：在NaCl晶体中取出一个Na+，则原有晶格中多余了一个负电荷 ，如果这个附加电子被束缚在Na空位上，这是空位写成 ，即：;电性相反的缺陷距离接近到一定程度时，在库仑力作用下会合成一组或一群，产生一个缔合中心。通常把了发生缔合的缺陷写在圆括号内来表示缔合中心。如：（VNa’VCl·） ;缺陷反应方程式应的原则： ;(2) 质量平衡 与化学反应方程式相同，缺陷反应方程式两边的质量应该相等。 注意：缺陷符号的右下标表示缺陷所在的位置，对质量平衡无影响。 (3) 电荷平衡 缺陷反应方程式两边的有效电荷数必须相等。 ;例1：写出NaF加入YF3中的缺陷反应方程;;基本规律： 一、低价正离子占据高价正离子位置时，该位置带有负电荷。为了保持电中性，会产生负离子空位或间隙正离子。 二、高价正离子占据低价正离子位置时，该位置带有负电荷。为了保持电中性，会产生正离子空位或间隙负离子。; (2) 热缺陷; 3.2.3　热缺陷浓度的计算;(2)　化学平衡方法计算热缺陷浓度 ;MX型离子晶体的肖特基缺陷浓度;MX2型离子晶体的肖特基缺陷浓度;例5： 在CaF2晶体中，Frankel缺陷形成能为2.8eV，Schttky缺陷的生成能为5.5eV，计算在25℃和1600℃时热缺陷的浓度？;例6：如果CaF2晶体中，含有10－6mol的YF3杂质，则在1600℃时， CaF2晶体中是热缺陷占优势还是杂质缺陷占优势？说明原因。;（1）间隙原子在外力作用下的运动;（2）空位在外力作用下的运动 ;式中: n-单位体积中带电粒子的数目 V-带电粒子的漂移（运动）速度 ?-电场强度 z-粒子的电价 则j=nzeV为单位时间内通过单位截面的电荷量。 ?=V/?是单位电场下带电粒子的迁移率。 总的电导率?：; 纯净晶体:只有本征缺陷（即热缺陷） 能斯特—爱因斯坦（Nernst-Einstein）方程： 式中：D是带电粒子在晶体中的扩散系数；n为单位体积的电荷载流子数，即单位体积的缺陷数。 总结：晶体的离子电导率取决于晶体中热缺陷的多少以及缺陷在电场作用下的漂移速度的高低或扩散系数的大小。通过控制缺陷的多少可以改变材料的导电性能。;作业3-1: 3.7, 3.10，3.11; 3.3　固溶体;举例;;; 3.3.2　置换型固溶体;a. 质点尺寸（决定性因素） ;b. 晶体结构类型;单一离子：离子价相同，可以形成连续固溶体。 ;d. 电负性;置换型固溶体的“组分缺陷”;例7：3.26; 3.3.3　间隙型固溶体; 外来杂质原子进入间隙时，必然引起晶体结构的电价不平衡，为保持电中性，可以通过生成空位，产生部分取代或离子的价态变化来达到。如：;　　形成固溶体后，使基质晶体的性质（晶格常数、密度、电性能、光学性能、机械性能等）发生很大变化，对开发新材料有重要意义。 （1）稳定晶格，阻止晶型转变的发生（PZT） （2）活化晶格 （3）固