2.1点缺陷.ppt

第2章 晶体缺陷 概述 点缺陷 线缺陷 面缺陷 （1）按晶体缺陷的几何形态，可将晶体缺陷分为以下几类： 点缺陷 —— 零维缺陷，如：空位、间隙原子…… 线缺陷 —— 一维缺陷，如：位错 面缺陷 —— 二维缺陷，如：表面、晶界、相界面 体缺陷 —— 三维缺陷，如：空位团…… 一、概述 （2）按晶体缺陷的产生原因，可将晶体缺陷分为以下几类： 热缺陷 —— 弗仑克尔缺陷、肖特基缺陷 杂质缺陷 非化学计量缺陷 电荷缺陷 辐照缺陷 固溶体 二、点缺陷（零维缺陷） 缺陷尺寸处于原子大小的数量级上，即三维方向上缺陷的尺寸都很小。 根据其对理想晶体偏离的几何位置及成分来分： 空 位 间隙原子 置换原子（杂质原子） 晶体中的点缺陷 (a) 空位 (b) 置换（杂质）原子 (c) 间隙原子 1. 点缺陷的形成 平衡位置 离开平衡位置的原子有三 个去处： 弗仑克尔缺陷：（Frenker defect） 肖特基缺陷： （Shcottky defect） 空位、间隙原子成对出现 原子跃迁至表面，体内留下空位 由热起伏引起的，称为热平衡缺陷 离子晶体中的点缺陷： 2. 点缺陷的平衡浓度 晶体中点缺陷的存在，有两方面的影响： 一方面：造成点阵畸变，使晶体内能升高，降低了晶体的热力学稳定性； 一方面：增大了原子排列的混乱程度，使晶体熵值增大，增加了晶体的热力学稳定性。 空位形成能（或间隙原子形成能） Uv ： 形成一个空位（或间隙原子）所需要的能量。 金属 Au Ag Cu Pt Al W Pb Mg Sn 空位形成能/×10-18J 0.15 0.17 0.17 0.24 0.12 0.56 0.08 0.14 0.08 表2.1 一些金属的空位形成能 一般，间隙原子形成能比空位形成能高出几倍，如：Cu的空位形成能是0.17aJ，而间隙原子形成能为0.48aJ。 因此，空位在晶体中形成比较容易，数量比较多，所以也是作用比较显著、更为重要的点缺陷。 排列熵：由空位排列组合引起的熵变 振动熵：由于原子振幅的变化引起的熵变 由空位引起的熵变： 如在N个原子位置的晶体中有n个空位（nN），n个空位在N个位置上的组合方式的数目，即产生n个空位的几率（热力学几率）ω，为： K—波尔兹曼常数，1.38×10-23 J/K 由n个空位造成系统排列熵（由空位排列组合引起的熵变）改变为： 根据熵的统计学表达式： 若N不变，当nN/2时，△S0。因nN，所以空位的增加总是引起熵（排列熵）的增加；同时，空位增加振动熵也增加，体系总的熵变增加。 由热力学可知，系统热力学能的降低是自发过程，而熵的增加是自发过程。因此，空位的增加使热力学能升高，是非自发过程，但却使熵增加，又是自发过程。 缺陷平衡浓度 由热力学可知，在等温等容过程中，系统的平衡状态是其亥姆霍兹自由能（F，简称自由能）达到最小值的状态。 T—绝对温度，K 形成n个空位时，引起系统自由能的变化为： 当d（△F）/dn=0时，即系统自由能最低时的空位浓度为： 或 A—材料常数，常取值为1； K—波尔兹曼常数，1.38×10-23J/K（或8.62×10-5eV/K） UV—产生每摩尔空位的形成能，cal/mol（或J/mol） R—气体常数，1.987cal/molK （8.31J/molK） 在一定温度下，存在一个使系统自由能最低的空位浓度，称为该温度下的空位平衡浓度。空位形成能Uv越小，空位平衡浓度越大；温度越高，空位平衡浓度也越大。 温度/K 100 300 500 700 900 1000 1350 空位平衡浓度 10-59 10-19 10-11 10-8.1 10-5.3 10-5.7 10-5 表2.2 铜晶体在不同温度下的空位平衡浓度 同理，间隙原子也有同样形式的平衡浓度。由于间隙原子的形成能比空位高几倍，因此间隙原子的平衡浓度比空位低很多。如：Cu在熔点附近，间隙原子的浓度为10-14，空位浓度约为10-4，因此，在一般情况下，晶体中自发间隙原子点缺陷可忽略不计。 例题2.1 ：计算铜在室温（25）下的空位数目。假定铜空位形成能Qv为20000 cal/mol，铜的晶格常数为0.36151nm。若要使空位浓度增加到室温下空位浓度的1000倍，需要什么样温度下热处理？材料常数A为1。 Cu为A1 型，FCC结构 室温时，Cu的空位数目： 若要使空位浓度增加到室温下的1000倍，则n=1.815×1011 例题2.2： 计算密度为7.87g/cm3的体心立方铁中的空位数目。该铁晶体的晶格常数为2.866×10-8cm，原子量为55.847g/mol。 3. 过