第五章晶体生长与晶体缺陷2讲述.ppt

晶体中的缺陷概论 §5.8 点缺陷 2、位错的原子模型 4、位错的观察 金属界面结构示意图---共格界面 * 1 单晶体: 一块晶体材料，其内部的晶体位向完全一致时，即整个材料是一个晶体，这块晶体就称之为“单晶体”，实用材料中如半导体集成电路用的单晶硅和一些供研究用的材料。 实际的晶体结构 2 多晶体: 实际应用的工程材料中，哪怕是一块尺寸很小材料，绝大多数包含着许许多多的小晶体，每个小晶体的内部，晶格位向是均匀一致的，而各个小晶体之间，彼此的位向却不相同。称这种由多个小晶体组成的晶体结构称之为“多晶体”。 1）晶粒 多晶体材料中每个小晶体的外形多为不规则的颗粒状，通常把它们叫做“晶粒”。 2）晶界 晶粒与晶粒之间的分界面叫“晶粒间界”，或简称“晶界”。为了适应两晶粒间不同晶格位向的过渡，在晶界处的原子排列总是不规则的。 晶体缺陷：即使在每个晶粒的内部，也并不完全象晶体学中论述的(理想晶体)那样，原子完全呈周期性的规则重复的排列。把实际晶体中原子排列与理想晶体的差别称为晶体缺陷。晶体中的缺陷的数量相当大，但因原子的数量很多，在晶体中占有的比例还是很少，材料总体具有晶体的相关性能特点，而缺陷的数量将给材料的性能带来巨大的影响。 晶体缺陷按范围分类： 在三维空间的两个方向上的尺寸很大(晶粒数量级)，另外一个方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶体缺陷。 1. 点缺陷 在三维空间各方向上尺寸都很小，在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(晶粒数量级)，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 1.点缺陷 在三维空间各方向上尺寸都很小，在原子尺寸大小的晶体缺陷。 2.点缺陷的类型 空位 晶格结点位置应有原子的地方空缺，这种缺陷称为“空位”。 2）间隙原子 在晶格非结点位置，往往是晶格的间隙，出现了多余的原子。它们可能是同类原子，也可能是异类原子。 3）异类原子 在一种类型的原子组成的晶格中，不同种类的原子替换原有的原子占有其应有的位置。 弗仑克耳缺陷：原子离开平衡位置进入间隙，形成等量的空位和间隙原子。 肖特基缺陷：只形成空位不形成间隙原子。（构成新的晶面） 3、点缺陷的形成 热力学分析表明，在高于0K的任何温度下，晶体最稳定的状态是含有一定浓度点缺陷的状态，此浓度称为点缺陷的平衡浓度。 空位形成能 空位的出现破坏了其周围的结合状态，因而造成局部能量的升高，由空位的出现而高于没有空位时的那一部分能量称为“空位形成能”。 在一摩尔的晶体中如存在n个空位，晶体中有N=6.023X1023个晶格位置，这时空位的浓度为x=n/N，系统熵值为： 空位的出现提高了体系的熵值 4、点缺陷的平衡浓度 设每个空位的形成能为u，空位浓度为x时自由能的变化为： 空位的平衡浓度与温度和形成能之间成指数关系 例，Cu的空位形成能为0.9ev，相对原子质量为63.5，1000℃时的密度为8.4g/cm3，试求Cu在1000 ℃时每立方米的平衡空位数。 解：1）计算每立方米Cu原子数N, 即 2）计算1000℃时的平衡空位数n，即 空位平衡浓度为 原因：无论那种点缺陷的存在，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 提高材料的电阻 定向流动的电子在点缺陷处受到非平衡力(陷阱)，增加了阻力，加速运动提高局部温度(发热)。 加快原子的扩散迁移 空位可作为原子运动的周转站。 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。 改变材料的力学性能 空位移动到位错处可造成刃位错的攀移，间隙原子和异类原子的存在会增加位错的运动阻力。会使强度提高，塑性下降 5、点缺陷对材料性能的影响 1 线缺陷：在三维空间的一个方向上的尺寸很大(晶粒数量级)，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 2 位错的原子模型 将晶体的上半部分向左移动一个原子间距，再按原子的结合方式连接起来(b)。除分界线附近的一管形区域例外，其他部分基本都是完好的晶体。在分界线的上方将多出半个原子面，这就是刃型位错。 §5.9 线缺陷 平面模型 刃位错类型 若将晶体的上半部分向后移动一个原子间距，再按原子的结合方式连接起来(c)，同样除分界线附近的一管形区域例外，其他部分基本也都是完好的晶体。而在分界线的区域形成一螺旋面，这就是螺型位错。 位错的形式 ：刃位错和螺位错 3.位错的密度与分布 晶体中位错的数量常用位错密度LV表示，即单位体积中 位错线的长度： Lv=L