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第四章 晶体中的缺陷与扩散 晶体缺陷的基本类型 热缺陷的统计理论 晶体中的扩散 离子晶体的点缺陷及导电性 晶体缺陷的基本类型 晶体缺陷（晶格的不完整性）：晶体中任何对完整周期性结构的偏离就是晶体的缺陷。 按缺陷的几何形状和涉及范围将缺陷分为：点缺陷、线缺陷和面缺陷。 点缺陷 点缺陷是在格点附近一个或几个晶格常量范围内的一种晶格缺陷， 如空位、填隙原子、杂质等。 １．弗仑克尔缺陷和肖特基缺陷 弗仑克尔缺陷：当晶格中的原子脱离格点后，移到间隙位置形成填隙原子时，在原来的格点位置处产生一个空位，填隙原子和空位成对出现，这种缺陷称为弗仑克尔缺陷。 肖特基缺陷：当晶体中的原子脱离格点位置后不在晶体内部形成填隙原子，而是占据晶体表面的一个正常位置，并在原来的格点位置产生一个空位，这种缺陷称为肖特基缺陷。 在材料制备中，有控制地在晶体中引入杂质原子，若杂质原子取代基质原子而占据格点位置，则成为替位式杂质。 当外来的杂质原子比晶体本身的原子小时，这些比较小的外来原子很可能存在于间隙位置，称它们为填隙式杂质。填隙式杂质的引入往往使晶体的晶格常量增大。 ３．色心 能吸收可见光的晶体缺陷称为色心。 完善的晶体是无色透明的，众多的色心缺陷能使晶体呈现一定颜色，典型的色心是Ｆ心。 把碱卤晶体在碱金属的蒸气中加热，然后使之聚冷到室温,则原来透明的晶体就出现了颜色，这个过程称为增色过程，这些晶体在可见光区各有一个吸收带称为F带，而把产生这个带的吸收中心叫做F心。 ４．极化子 电子吸引邻近的正离子，使之内移。排斥邻近的负离子，使之外移，从而产生极化。 电子所在处出现了趋于束缚这电子的势能阱，这种束缚作用称为电子的“自陷”作用。 产生的电子束缚态称为自陷态，同杂质所引进的局部能态有区别，自陷态永远追随着电子从晶格中一处移到另一处，这样一个携带着周围的晶格畸变而运动的电子，可看作一个准粒子 电子＋晶格的畸变），称为极化子。 二、线缺陷 当晶格周期性的破坏是发生在晶体内部一条线的周围近邻，这种缺陷称为线缺陷。位错就是线缺陷。 刃型位错：刃型位错的位错线与滑移方向垂直。 螺旋位错：螺旋位错的位错线与滑移方向平行。面缺陷 当晶格周期性的破坏是发生在晶体内部一个面的近邻，这种缺陷称为面缺陷，如晶粒间界、堆垛间界。 当晶格周期性的破坏是发生在晶体内部一个面的近邻，这种缺陷为面缺陷。 晶粒之间的交界称为晶粒间界。晶粒间界内原子的排列是无规则的。因此这种边界是面缺陷。晶粒间界内原子排列的结构比较疏松，原子比较容易沿晶粒间界扩散。 2.堆垛间界 我们知道金属晶体常采用立方密积的结构形式，而立方密积是原子球以三层为一组，如果把这样的一组三层记为 ABC，则晶面的排列形式为： 如从某一晶面开始，晶体的两部分发生滑移，比如从某C晶面以后整体发生了滑移，B变成A，则晶面的排列形式变成： 这一类整个晶面发生错位的缺陷称为堆垛缺陷。 4-2热缺陷的统计理论 热缺陷的运动、产生和复合 当空位的运动为主要时，原子脱离格点形成填隙原子的几率 当填隙原子的运动为主要时 式中和E的值，要看哪一种缺陷的运动为主而定。 1. 弗仑克尔缺陷的数目 假设形成一个弗仑克尔缺陷所需的能量是u u是将格点上的原子移到间隙位置上所需的能量 。 假设：晶体中有N个原子，有N′个间隙位置。 当晶体中存在n个弗仑克尔缺陷时，晶体内能的变化为nu，熵的改变与微观状态的改变有关。 2.空位和填隙原子的数目 设晶体的原子数为N 空位数目： u1为每形成一个空位所需要的能量。 填隙原子数目： u2为形成一个填隙原子所需的能量。n1，n2可以看出，如果造成一个填隙原子所需要的能量u2比造成一个空位所需要的能量u1大些，则填隙原子出现的可能性比空位出现的可能性小得多。 4-3缺陷的扩散 一、扩散的宏观规律 菲克第一定律 菲克第二定律 .扩散的微观机构 晶体粒子的扩散有三种方式粒子以填隙原子的形式扩散粒子借助于空位扩散；以上两种方式并存。 1 空位机构 a是晶格中原子间距，ν是原子的振动频率，u1代表每形成一个空位所需的能量，u1+E1代表激活能。 2 填隙原子机构 a是晶格中原子间距，ν是填隙原子的振动频率，u2代表每形成一个填隙原子所需的能量，u2+E2代表激活能。 3 杂质原子扩散 因为N远大于n2，所以杂质原子的扩散系数比晶体填隙原子的自扩散系数要大得多。 4-4离子晶体的点缺陷及导电性 离子晶体的点缺陷 二、离子晶体的导电性 当有外电场存在时，这些缺陷除作布朗运动外，还有一个定向的漂移运动，从而产生宏观电流。正负电荷漂移的方向是相反的但是由于电荷异号，正负电荷形成的电流都是同方向的。 电导率密切依赖于温度，除了指数因子中的温度T外，还应注意填隙粒子数n也随温度有类似的指数变化关系。 7 b a