2C材料组成与结构(材料概论).ppt

2.4 晶体结构缺陷 XRD的出现，揭示了晶体结构基元排列的规律性，形成了空间点阵结构学说。 空间点阵结构学说：晶体的结构基元是沿三度空间呈有序的、无限周期重复性排列的。结构基元间势场也具有严格的周期性，这样的晶体为理想晶体。但实际上，理想晶体是不存在的，其结构总是存在缺陷。 晶体缺陷根据其几何形态特征分为点缺陷、线缺陷和面缺陷。 2.4 晶体结构缺陷 一、点缺陷 ①点缺陷：理想晶体晶格上的原子被其他原子取代，或者在晶格间隙中挤入原子，或者留有原子空位，从而破坏了晶体中结构基元有规则的周期性排列，引起结构基元间势场的畸变，造成晶体结构的不完整或缺陷，这种缺陷被称为点缺陷。点缺陷一般分为三类：晶格位置缺陷、组成缺陷和电荷缺陷。 ②空位：晶体晶格中没有被占据的原子(格点)位置(如图所示)。 ③间隙原子：填入晶格间隙中的原子。分为自间隙原子和杂质间隙原子(如图所示)。 2.4 晶体结构缺陷 ④晶格位置缺陷。当晶体中的温度高于绝对零度时，结构基元吸收热能在晶格位置振动，产生位移。然而移动距离相当小，结构基元最终的运动形式是围绕一个平衡位置振动。显然，这个平衡位置就是理想晶格位置。 温度愈高，原子吸收的热能愈多，振动的幅度也就愈大。当某些结构基元的能量足够大时，就可以脱离它的平衡位置，位移到一个新的平衡位置，则在原来平衡位置上留下一个空位。因此，由于热吸附，晶体中的一些结构基元要离开它的平衡位置所形成的缺陷称为晶格位置缺陷。或称热缺陷。 2.4 晶体结构缺陷 晶格位置缺陷：弗伦克尔缺陷和肖脱基缺陷。 ⑤弗伦克尔缺陷：具有足够大能量的结构基元离开平衡位置后，挤入晶格间隙中形成自间隙原子，而在原来平衡位置上形成空位(如图所示)。 2.4 晶体结构缺陷 ⑥肖脱基缺陷：晶体表面的结构基元获得较大能量，但其能量还不足以使它蒸发出去，只是位移表面新的位置形成表面原子，而在原来位置上形成空位。这样晶体内部的结构基元就依次填入，结果晶体表面的空位逐渐转移到内部(如图所示)。 显然，肖脱基缺陷会使晶体体积增加，而弗伦克尔缺陷不会改变晶体体积。一般来说，正负离子半径相差不大时，肖脱基缺陷是主要的。 2.4 晶体结构缺陷 ⑦组成缺陷：杂质原子进入晶体后，与原有晶格原子的性质不同，故它不仅破坏晶格原子的规则排列，而且引起杂质原子周围周期势场的改变。 ⑧间隙型杂质原子：当杂质原子挤入晶格间隙时，则形成间隙杂质原子。 ⑨置换型杂质原子：而当杂质原子取代原有晶格原子时，则形成置换型杂质原子(如图所示)。 点缺陷在实践中有重要意义。在硅酸盐工业中，大量的烧结和固相反应过程与结构基元在晶体内部或表面上的运动有关，热缺陷能加速这些过程。 2.4 晶体结构缺陷 二、线缺陷(位错) ①位错：实际晶体在结晶时受到杂质、温度变化、应力变化，或受到打击、切削、研磨等机械应力作用，晶体内部结构基元排列发生变化，结构基元行列间相互滑移，不再符合理想晶格的有序排列，形成了线状缺陷。 ②位错线：晶体中结构基元滑移时，滑移面和未滑移面的交界线称为位错线。在位错线上的结构基元配位和其他结构基元不同，位错上部结构基元间距密，下部疏。这种结构基元间距出现疏密不均匀也是一种晶体缺陷。 ③刃型位错：在晶体中，由于某种原因，晶体的一部分相对于另一部分出现一个多余的半原子面(如图所示)。 2.4 晶体结构缺陷 这个多余的半原子面有如切入晶体的刀片，刀片的刃口线即为位错线。刃型位错中滑移方向与位错线垂直。位错线的上部邻近范围受到压应力，下部邻近范围受到拉应力，离位错线较远处原子正常排列(如图所示)。 半原子面在上面的刃型位错为正刃型位错。半原子面在下面的为负刃型位错。 2.4 晶体结构缺陷 ④螺型位错：在剪应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分发生位移，其原子面沿着一根轴线螺旋上升，每绕轴线一周，原子面上升一个晶面间距，在中央轴线处即为螺型位错(如图所示)。 螺形位错中位错线和滑移方向平行。由于和位错线垂直的平行面不是水平的，而呈螺旋形，故称之为螺型位错。 2.4 晶体结构缺陷 三、面缺陷 ①面缺陷：发生在二维界面上的广延缺陷。面缺陷二维尺度很大而第三维尺度很小。界面外具有较高的原子排列完整性，界面附近存在严重的原子错排。 与晶体结构无关的面缺陷：晶界和相界。 与晶体结构有关的面缺陷：共轭相界、孪晶界、堆垛层错。 2.4 晶体结构缺陷 ②晶界。多数晶体是由许多晶粒组成的，每个晶粒是一个小单晶。 晶界：属于同一固相但位向不同的晶粒之间的界面。它是一种内界面(如图所示)。 2.4 晶体结构缺陷 ④位向差θ。为了描述晶界和亚晶界的几何性质，需说明晶界的取向及其两侧晶粒的相对位向。 二维平面点阵中晶界的几何关系可用图来描述，即晶界位置可用两个晶粒的位向差θ和晶界相对于一个点阵某一平面的夹角φ