郑大科学基础CH3晶体缺陷试题.ppt

第 三 章 晶 体 缺 陷 本章内容 概述 点缺陷 线缺陷 面缺陷 本章要求掌握的主要内容 一.需掌握的概念和术语 1、点缺陷、Schottky空位、Frankel空位、间隙原子、置换原子 2、线缺陷、刃型位错、螺型位错、混合型位错、柏氏矢量、位错运动、滑移、(双)交滑移、多滑移、攀移、交割、割价、扭折、塞积；位错应力场、应变能、线张力、作用在位错上的力、位错密度、位错源、位错生成、位错增殖、位错分解与合成、位错反应、全位错、不全位错、堆垛层错 3、面缺陷、表面、界面、界面能、晶界、相界 4、关于位错的应力场、位错的应变能、线张力等可作为一般了解 5、晶界的特性(大、小角度晶界)、孪晶界、相界的类型 二.本章重点及难点 1、点缺陷的平衡浓度公式 2、位错类型的判断及其特征、柏氏矢量 的特征， 3、位错源、位错的增殖(F-R源、双交滑移机制等)和运动、交割 4、关于位错的应力场、位错的应变能、线张力等可作为一般了解 5、晶界的特性(大、小角度晶界)、孪晶界、相界的类型 概 述 前面章节都是就理想状态的完整晶体而言，即晶体中所有的原子都在各自的平衡位置，处于能量最低状态。然而在实际晶体中原子的排列不可能这样规则和完整，而是或多或少地存在离开理想的区域，出现不完整性。正如我们日常生活中见到玉米棒上玉米粒的分布。通常把这种偏离完整性的区域称为晶体缺陷(crystal defect, crystalline imperfection)。 位错实验观测(dislocation.mpg) 完美晶体：即组成晶体的所有原子或离子都排列在晶格中它们自己的位置上，没有晶格空位，也没有间隙原子或离子。晶格中的原子或离子都是化学分子式中的原子或离子，没有外来的杂质；晶体的原子之比符合化学计量比。 实际晶体：与理想晶体有一些差异。如：处于晶体表面的原子或离子与体内的差异；晶体在形成时，常常是许多部位同时成核生长，结果形成的不是单晶而是许多细小晶粒按不规则排列组合起来的多晶体；在外界因素的作用下，原子或离子脱离平衡位置和杂质原子的引入等。 晶体缺陷的存在，破坏了完美晶体的有序性，引起晶体内能U和熵S增加。 完整不一定精彩 缺憾也是一种美! 晶体缺陷（Crystal defect）——通常把晶体点阵结构中周期性势场的畸变称为晶体的结构缺陷。 晶体缺陷对于晶体结构来说规则完整排列是主要的,而非完整性是次要的。 3.1.1 点缺陷的形成及类型 3.1.2 点缺陷的平衡浓度 点缺陷是热力学稳定的缺陷：点缺陷与线、面缺陷的区别之一是后者为热力学不稳定的缺陷而在一定温度下，晶体中有一定平衡数量的空位和间隙原子，其数量可近似算出。 空位形成时系统自由能的变化：F=U-TS U为内能，S为系统熵（包括振动熵SV和排列熵SC） 空位的引入，一方面由于弹性畸变使晶体内能增加；另一方面又使晶体中混乱度增加，使熵增加。而熵的变化包括两部分： ① 空位改变它周围原子的振动引起振动熵，SV. ② 空位在晶体点阵中的排列可有许多不同的几何组态，使排列熵SC增加。 内能(Internal energy)变化U。n个内能为u的点缺陷使系统内能增加总量为:U＝n△Ev 空位形成能(vacancy formation energy):形成一个空位时引起系统能量的增加，记为△Ev T·S与组态熵变化有关：点缺陷的存在使体系混乱程度增大，大大增加了系统的熵值。 通过热力学分析，在绝对零度以上的任何温度，晶体中最稳定的状态是含有一定浓度的点缺陷的状态，这个浓度称为该温度下晶体中点缺陷的平衡浓度(equilibrium consistence)。经热力学推导： C = n/N = exp(Sf/k)exp(－△Ev/kT) = Aexp(－△Ev/kT) C与T、Ev之间呈指数关系(下页表）。T上升、C升高。 △Ev对C的影响 3.1.3 点缺陷的运动 点缺陷的运动方式: (1) 空位运动; 空位缺陷的运动实质上是原子的迁移过程，它构成了晶体中原子传输的基础。 (2) 间隙原子迁移; (3) 空位和间隙原子相遇，两缺陷同时消失，称为点缺陷的复合 ; (4) 逸出晶体到表面，或移到晶界，点缺陷消失。 本节小节 空位的类型 空位的平衡浓度及其公式 3.2