晶体结构缺陷的类型.ppt

第二章 晶体结构缺陷 研究缺陷的意义：由于缺陷的存在，才使晶体表现出各种各样的性质，使材料加工、使用过程中的各种性能得以有效控制和改变，使材料性能的改善和复合材料的制备得以实现。因此，了解缺陷的形成及其运动规律，对材料工艺过程的控制，对材料性能的改善，对于新型材料的设计、研究与开发具有重要意义。 缺陷的含义：通常把晶体点阵结构中周期性势场的畸变称为晶体的结构缺陷。 理想晶体：质点严格按照空间点阵排列。 实际晶体：存在着各种各样的结构的不完整性。 本章主要内容： §2.1 晶体结构缺陷的类型 §2. 2 点缺陷 §2.3 线缺陷 §2.4 面缺陷 §2.5 固溶体 §2.6 非化学计量化合物 本章要求掌握的主要内容： 掌握缺陷的基本概念、分类方法； 掌握缺陷的类型、含义及其特点； 熟练书写点缺陷的缺陷反应方程式、化学平衡方法计算热缺陷的浓度； 了解缺陷在材料性能的改善、新型材料的设计、研究与开发中的意义。 2.1 晶体结构缺陷的类型 分类方式： 　几何形态：点缺陷、线缺陷、面缺陷等 　形成原因：热缺陷、杂质缺陷、非化学计量缺陷等 一、按缺陷的几何形态分类 1. 点缺陷（零维缺陷） Point Defect ? 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。 Now What Do You See? 2. 线缺陷（一维缺陷）位错(dislocation) 　　指在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列所产生的缺陷，即缺陷尺寸在一维方向较长，另外二维方向上很短。如各种位错（dislocation），如图所示。 线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性密切相关。 3.面缺陷 面缺陷又称为二维缺陷，是指在二维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列而产生的缺陷，即缺陷尺寸在二维方向上延伸，在第三维方向上很小。如晶界、表面、堆积层错、镶嵌结构等。 面缺陷的取向及分布与材料的断裂韧性有关。 　面缺陷－晶界 晶界: 晶界是两相邻晶粒间的过渡界面。由于相邻晶粒间彼此位向各不相同，故晶界处的原子排列与晶内不同，它们因同时受到相邻两侧晶粒不同位向的综合影响，而做无规则排列或近似于两者取向的折衷位置的排列，这就形成了晶体中的重要的面缺陷。 亚晶界: 实验表明，在实际金属的一个晶粒内部晶格位向也并非一致，而是存在一些位向略有差异的小晶块（位向差一般不超过2°)。这些小晶块称为亚结构。亚结构之间的界面称为亚晶界。 面缺陷－堆积层错面心立方晶体中的抽出型层错(a)和插入型层错(b) 　面缺陷－共格晶面面心立方晶体中{111}面反映孪晶 二 按缺陷产生的原因分类 1. 热缺陷 类型:弗仑克尔缺陷（Frenkel defect）和肖特基缺陷（Schottky defect） 热缺陷产生示意图 2. 杂质缺陷 特征:如果杂质的含量在固溶体的溶解度范围内，则杂质缺陷的浓度与温度无关。 杂质缺陷对材料性能的影响 3. 非化学计量缺陷 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。 电荷缺陷：质点排列的周期性未受到破坏，但因电子或空穴 的产生，使周期性势场发生畸变而产生的缺陷； 包括：导带电子和价带空穴 * * 缺陷对材料性能的影响举例:材料的强化，如钢——是铁中渗碳陶瓷材料的增韧半导体掺杂 本征缺陷 杂质缺陷 点缺陷 零维缺陷 线缺陷 一维缺陷 位错 面缺陷 二维缺陷 小角度晶界、大角度晶界 挛晶界面 堆垛层错 体缺陷 三维缺陷 包藏杂质 沉淀 空洞 包括：空位（vacancy） 间隙质点（interstitial particle） 错位原子或离子 外来原子或离子（杂质质点）（foreign particle） 双空位等复合体 点缺陷与材料的电学性质、光学性质、材料的高温动力学过程等有关。 Vacancy Interstitial ? Vacancies: -vacant atomic sites in a structure. ? Self-Interstitials: -extra atoms positioned between atomic sites. Point Defects Common Rare Two outcomes if impurity (B) added to host (A): ? Solid solution of B in A (i.e., random dist. of point defects) OR Substitutional alloy (e.g., Cu in Ni) Inte