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第四章 晶体的缺陷;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。
按缺陷在空间的几何构型可将缺陷分为点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷,它们分别取决于缺陷的延伸范围是零维、一维、二维还是三维来近似描述。每一类缺陷都会对晶体的性能产生很大影响,例如点缺陷会影响晶体的电学、光学和机械性能,线缺陷会严重影响晶体的强度、电性能等。;第一节 晶格缺陷的基本类型;2. Frenkel缺陷;4. 杂质原子;杂质原子
实际晶体中存在某些微量杂质。一方面是晶体生
长过程中引入的,如O、N、C等,这些是实际晶体不
可避免的杂质缺陷,只能控制相对含量的大小;另一
方面是有目的地向晶体中掺入的一些微量杂质,例如
在单晶硅中掺入微量的B、Pb、Ga、In、P、As等可
以使晶体的导电性能发生很大变化。当晶体存在杂质
原子时,晶体的内能会增加,由于少量的杂质可以分
布在数量很大的格点或间隙位置上,使晶体组态熵的
变化也很大。因此温度T下,杂质原子的存在也可能
使自由能降低。 (F=U-TS); 当杂质原子取代基质原子占据规则的格点位置时,形成替位式杂质,如图a;若杂质原子占据间隙位置,形成间隙式杂质,如图b。
; 对一定晶体,杂质原子是形成替位式杂质还是间隙式杂
质,主要取决于杂质原子与基质原子几何尺寸的的相对大小及
其电负性。杂质原子比基质原子小得多时,形成间隙式杂质,
因为替位式杂质占据格点位置后,会引起周围晶格畸变,畸变
区域一般不大,畸变引起的内能增加也不大,若杂质占据间隙
位置,由于间隙空间有限,由此引起的畸变区域比替位式大,
因而使晶体的内能增加较大。所以只有半径较小的杂质原子才
能进入敞开型结构的间隙位置中。例如:金属晶体结构的密堆
积形式决定了间隙空间的有限,这类晶体只有象H、C这样小的
原子才能进入间隙位置。许多金属氧化物晶体中,只有象Li+
这样的杂质离子才能形成间隙缺陷。即使这样,间隙杂质也还
会引起明显的晶格结构的畸变。这种畸变以及基质原子和杂质
原子之间的化学差异,通常会影响杂质原子的溶解度(固熔限)。 ; 替位式杂质在晶体中的溶解度也决定于原子的
几何尺寸和化学因素。如果杂质和基质具有相近的
原子尺寸和电负性,可以有较大的溶解度。但也只有在二者化学性质相近的情况下,才能得到高的固溶度。
元素半导体、氧化物及化合物半导体晶体中的
替位式杂质,通常引起并存的电子缺陷,从而明显
的改变材料的导电性。例如:Si晶体中含有As5+时,
由于金刚石四面体键仅需4个电子,所以每个As多
了一个电子;如果Si晶体中含有三价原子时,由于
共价键中缺少一个电子而形成电子空位即空穴,这
种掺杂的Si晶体都因杂质原子的存在而是电导率有
很大提高。;;缺陷能级;;杂质的补偿;5 色心
色心是一种非化学计量比引起的空位缺陷。该空位能够
吸收可见光使原来透明的晶体出现颜色,因而称它们为色心,
最简单的色心是F心。
所谓F心是离子晶体中的一个负离子空位束缚一个电子构
成的点缺陷。形成过程是碱卤晶体在相应的过量碱金属蒸汽
中加热,例如:NaCl晶体在Na蒸汽中加热后呈黄色;KCl晶
体在K蒸汽中加热后呈紫色;LiF在Li蒸汽中加热后呈粉红色。
F心的着色原理在于加热过程中过量的碱金属原子进入晶体
占据碱金属格点位置。晶体为保持电中性,会产生相应数目的
负离子空位。同时,处于格点的碱金属原子被电离,失去的电
子被带正电的负离子空位所束缚,从而在空位附近形成F心,如图,F心可以看成是束缚在负离子空位处的一种“电子陷阱”。;与F心相对的色心是V心。当碱卤晶体在过量的卤素蒸汽中加热后,由于大量的卤素进入晶体,为保持电中性,在晶体中出现了正离子空位,形成负电中心。这种负电中心可以束缚一个带正电的“空穴”所组成的体系称为V心。。
V心和F心在结构上是碱卤晶体中两种最简单的缺陷。在有色心存在的晶体中,A、B两种元素的比例已偏离严格的化学计量比。所以色心也是一种非化学计量引起的缺陷。 ;Na+ Cl- Na+ Cl- Na+ Cl-
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