第四章 晶体中的缺陷.ppt

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第四章 晶体中的缺陷 实际晶体:存在着各种各样的结构的不完整性。 缺陷:把实际晶体中原子排列与理想晶体的差别称为晶体缺陷。 理想晶体:质点严格按照空间点阵排列。 4.1 晶体缺陷的主要类型 晶体缺陷按范围和尺寸分类: 1、点缺陷:在三维空间各方向上尺寸都很小,原子尺寸大小的晶体缺陷。 2、线缺陷:在三维空间的一个方向上的尺寸很大另外两个方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶体缺陷。其具体形式就是晶体中的位错。 3、面缺陷:在三维空间的两个方向上的尺寸很大,另外一个方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶体缺陷。 一、点缺陷: 填隙原子 1、点缺陷的名称: 1)空位:在晶格结点位置应有原子的地方空缺,这种缺陷称为“空位”。 2)填隙原子在晶格非结点位置,往往是晶格的间隙,出现了多余的原子。 空位 3)杂质原子不同种类的原子替换原有的原子占据其应有的位置,或进入间隙位置。 在实际晶体内部,点缺陷附近,原子排列会出现畸变,其他地方则仍然规则排列 杂质原子 填隙原子 杂质原子 2、点缺陷的形成: 空位和同类填隙原子的产生和移动主要是依靠原子的热涨落——热缺陷(本征缺陷) 弗伦克尔缺陷的特点是空位和填隙原子同时出现,晶体体积不发生变化,晶体不会因为出现空位而产生密度变化。 空位+填隙原子 1)夫伦克耳缺陷: 由于热涨落,一个原子从正常格点跳到间隙位置,同时产生一个空位和一个填隙原子。 弗伦克尔缺陷的特点是空位和填隙原子同时出现,晶体体积不发生变化,晶体不会因为出现空位而产生密度变化。 2、点缺陷的形成: 空位和同类填隙原子的产生和移动主要是依靠原子的热涨落——热缺陷(本征缺陷) 2)肖脱基缺陷: 晶格内部的原子集聚了足够的动能,迁移到表面位置,而在原来格点处留下空位。 空位+表面原子 肖特基缺陷的特点是晶体表面增加了新的原子层,晶体内部只有空位缺陷,且晶体体积膨胀,密度下降。 3)杂质缺陷 由外加杂质的引入所产生的缺陷,亦称为组成缺陷。 杂质缺陷的浓度与温度无关。 为了有目的地改善器件性能,人为地引入杂质原子。 例如: 个硅原子 电导率增加 倍 硅半导体中: 红宝石激光器中: 刚玉晶体 形成发光中心 3、点缺陷对材料性能的一般影响 原因:无论哪种点缺陷的存在,都会使其附近的原子稍微偏离原结点位置才能平衡,即造成小区域的晶格畸变。 效果: 改变材料的电阻 电阻来源于离子对传导电子的散射。在完整晶体中,电子基本上是在均匀电场中运动,而在有缺陷的晶体中,在缺陷区点阵的周期性被破坏,电场急剧变化,因而对电子产生强烈散射,导致晶体的电阻率增大。 2) 加快原子的扩散迁移 空位可作为原子运动的周转站。 3) 形成其他晶体缺陷 过饱和的空位可集中形成内部的空洞,集中一片的塌陷形成位错。 4) 由于形成点缺陷需向晶体提供附加的能量,因而引起附加比热容。 5) 点缺陷还影响其它物理性质:如扩散系数、内耗、介电常数等。 4.2 空位、填隙原子的运动和统计计算 一、空位、填隙原子的运动 空位和填隙原子的跳跃依靠热涨落,与温度紧密相关。以填隙原子为例说明。 势能 势能ε约为几个eV 原子热振动能量: 填隙原子的跳跃靠偶然性的热涨落实现 跳跃率: 能量超过ε的几率: 依靠点缺陷的运动,晶体的扩散得以实现 V0:振动频率 二、空位、填隙原子的统计计算 尽管空位和填隙原子在不断的产生和复合,但在一定的宏观条件下,达到统计平衡时,点缺陷的数目是一定的。 平衡时空位的统计计算(肖特基缺陷) 设晶体中有N个原子,系统平衡状态下若存在n个空位,形成一个空位的能量为ω 晶体内部的一个原子运动到表面,形成一个空位所需的能量(肖特基缺陷) 系统的自由能: 系统熵增加: 系统自由能改变: 平衡条件: 只有ΔF与n有关 系统自由能: 系统内能增加: 空位的平衡浓度: 填隙原子的平衡浓度: 夫伦克尔缺陷的平衡浓度: 形成一个填隙原子所需能量 N为晶体中原子数量,N’为晶体中间隙的数量,uF为形成一个夫伦克尔缺陷需要的能量。 二、线缺陷 位错 线缺陷: 晶体内沿某一条线上附近的原子的排列与完整晶格不相同产生的缺陷 将晶体的上半部分向左平移一个原子间距,使晶体内有一个原子平面在晶体内部中断,其中断处的边沿即刃型位错 1.刃型位错: 有刃型位错的晶体 2.螺型位错: 将晶体的右半部分向下移动一个原子间距,而在分界线的区域形成一螺旋面,分界线即螺型位错 离位错线较远处,原子排列接近于完整晶体; 离位错线较近处,原子排列有较大错乱 3.位错的特征: 线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性密切相关。 4.3 位错及其滑移 一、滑移 滑移面 滑移线 滑移面:由某一平面分割的材料两边有相对移动,出现的面 滑

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