材料物理化学3精要.ppt

第三章 晶体结构缺陷 第一节 晶体结构缺陷的类型 第二节 点缺陷的类型 第二节 点缺陷的类型 热缺陷的类型 杂质缺陷的类型 缺陷表示方法 第四节 非化学计量缺陷 定义:指组成上偏离化学中的定比定律所形成的缺陷。它是由基质晶体与介质中的某些组分发生交换而产生。如Fe1－xO、Zn1+xO等晶体中的缺陷。 特点:其化学组成随周围气氛的性质及其分压大小而变化。是一种半导体材料。 1、阴离子缺位型 TiO2－x TiO2晶体在缺O2条件下，在晶体中会出现氧空位。缺氧的TiO2可以看作Ti4+和Ti3+氧化物的SS，缺陷反应为： 2、阳离子填隙型 Zn1+xO ZnO 在Zn蒸汽中加热，颜色加深， 缺陷反应为： 3、阴离子间隙型 只有UO2+x可以看作U3O8（2UO3.UO2)在UO2中的SS。 由于结构中有间隙阴离子，为保持电中性，结构中出现电子空穴，反应式为： 4、阳离子空位型 如Fe1-xO 为了保持电中性在正离子空位周围捕获,是P型半导体。缺陷反应为： * * 一、晶体结构缺陷的类型 缺陷的 类型 点缺陷 线缺陷 面缺陷 其特点是在三维方向上的尺寸都很小，缺陷的尺寸处在一、两个原子大小的级别，又称零维缺陷，例如空位，间隙原子和杂质原子等。 其特点是仅在一维方向上的尺寸较大，而另外二维方向上的尺寸都很小，故也称一维缺陷，通常是指位错。 其特点是仅在二维方向上的尺寸较大，而另外一维方向上的尺寸很小，故也称二维缺陷，例如晶体表面、晶界和相界面等。 点缺陷 间隙原子、空位、置换原子 面缺陷 晶体表面、晶粒间界、相界面 线缺陷 位错 点缺陷的类型 划分 原则 根据其对理想晶格偏离的几何位置及成分来划分 1、间隙原子：原子进入晶格中正常结点之间的间隙位置，成为间隙原子或称填隙原子。 2、空位：正常结点没有被原子或 离子所占据，成为空结点，称为空 位。 3、杂质原子：外来原子进入晶格，就成为晶体中的杂质。这种杂质原子可能取代原来晶格中的原子而进入正常结点的位置，成为置换式杂质原子；也可能进入本来就没有原子的间隙位置，成为间隙式杂质原子。这类缺陷统称为杂质缺陷。 点缺陷的类型示意图 点缺陷的类型 划分 原则 根据产生缺陷的原因来划分 1、热缺陷：在没有外来原子时，当晶体的温度高于绝对0K时，由于晶格内原子热振动，使一部分能量较大的原子离开正常的平衡位置，造成缺陷，这种由于原子热振动而产生的缺陷称为热缺陷。 2、杂质缺陷：由于杂质进入晶体而产生的缺陷。杂质原子又叫掺杂原子，其含量一般少于0.1%，进入晶体后，因杂质原子和原有原子的性质不同，故它不仅破坏了原子有规则的排列，而且还引起了杂质原子周围的周期势场的改变，从而形成缺陷。 3、非化学计量结构缺陷：有一些易变价的化合物，在外界条件的影响下，很容易形成空位和间隙原子，造成组成上的非化学计量化，这主要是因为它们能够比较容易地通过自身的变价来平衡由组成的非化学计量化而引起的电荷不中性。这种由组成的非化学计量化造成的空位、间隙原子以及电荷转移引起了晶体内势场的畸变，使晶体的完整性遭到破坏，也即产生了缺陷。（分类） 弗伦克尔缺陷：在晶格内原子热振动时，一些能量足够大的原子离开平衡位置后，进入晶格点的间隙位置，变成间隙原子，而在原来的位置上形成一个空位，这种缺陷称为弗伦克尔缺陷，如图(a)所示． 肖特基缺陷:如果正常格点上的原子，热起伏过程中获得能量离开平衡位置，跳跃到晶体的表面，在原正常格点上留下空位，这种缺陷称为肖特基缺陷，如图(b)所示。 弗伦克尔缺陷 置换杂质原子: 是杂质原子替代原有晶格中的原子位置，如图(a)所示。 间隙杂质原子：是杂质原子进入原有晶格的间隙位置，如图(b)所示。 置换杂质原子 间隙杂质原子 非化学计量化合物可分为四种类型： 阴离子缺位型 阳离子填隙型 阴离子间隙型 阳离子空位型 色心的形成： Ti4++e ? Ti3+ , 电子e并不固定在一个特定的Ti4+上，可把e看作 在 负离子空位周围。因为 是带正电的，在电场作用下e可以 迁 移，形成电子导电，易形成色心。(NaCl在Na蒸汽下加热呈黄色 同样,也不局限于特定的正离子，它在电场下运动， 所以是P型半导体。 为保持电中性，两个