第4章 缺陷.ppt

第四章 晶体缺陷 4.1 概述 4.2 晶体缺陷 （2）间隙原子： 在晶体中总是有少部分原子离开正常格点，跳到间隙位置，形成间隙原子，或者说，间隙原子就是进入点阵间隙中的原子。间隙原子可以是晶体中的正常原子离位产生，也可以是外来杂质原子。 2. 点缺陷的运动 点缺陷的运动方式： (1) 空位运动。 (2) 间隙原子迁移。 (3) 空位和间隙原子相遇，两缺陷同时消失。 (4) 逸出晶体到表面，或移到晶界，点缺陷消失。 （1）热缺陷：加热使一部分能量较大的原子离开平衡位置造成的缺陷。如：肖特基缺陷、弗仑克尔缺陷。 （2） 杂质缺陷：由于外来原子进入晶体而产生的缺陷，破坏了原子有规则的排列，引起周期势场的改变。 （3）非化学计量结构缺陷：有一些化合物，它们的化学组成会明显地随着周围气氛的性质和压力的大小的变化而发生组成偏离化学计量的现象，这一类缺陷是生成 n 型、p型半导体的重要基础。又称为电荷缺陷。如TiO2-x （4）其它原因 （2）位错的运动 位错的运动有两种基本形式：滑移和攀移 （3）孪晶缺陷 孪晶是指两个晶体（或一个晶体的两部分）沿一个公共晶面（即特定取向关系）构成镜面对称的关系，这两个晶体就称为“孪晶”，此公共晶面就称孪晶面。 在孪晶面上的原子同时位于两个晶体点阵的结点上，为两个晶体所共有 。 （3）晶界： 晶界是两个或多个不同结晶方向的单晶交界。晶界处存在大量缺陷。原子在晶界处扩散比晶内快得多。 大角度晶界：为原子呈不规则排列的一过渡层。大多数晶粒之间的晶界都属于大角度晶界。 小角度晶界：由一系列相隔一定距离的刃型位错所组成。 4.2.4 体缺陷 晶体内部的空间晶格结构整体上出现了一定形式的体缺陷。 存在空隙与析出物两种形式。 （1）空隙 a. 1μm以下的空隙——晶格空位聚集在一起形成的； b. 大于100μm甚至于1000μm的空隙——这种较大的空隙可能是晶体生长过程中产生的气泡。 （2）析出物 当不纯物的浓度超过特定温度的溶解度时，不纯物即可能以化合物的形态析出。析出物发生的步骤包括：成核、成长。 * * 第四章内容提要 1、点缺陷及点缺陷的运动：空位、间隙原子、替位原子 2、线缺陷及位错运动：刃型位错、螺型位错、混合型位错； 3、面缺陷：层错、表面、晶界和孪晶缺陷； 4、体缺陷：空隙与析出物。 概 述 前面章节都是就理想状态的完整晶体而言，即晶体中所有的原子都在各自的平衡位置，处于能量最低状态。然而在实际晶体中原子的排列不可能这样规则和完整，而是或多或少地存在离开理想的区域，出现不完整性。正如我们日常生活中见到玉米棒上玉米粒的分布。通常把这种偏离完整性的区域称为晶体缺陷。 晶体结构缺陷与固体的电学性质、机械强度、扩散、烧结、化学反应性、非化学计量化合物组成等性能都密切相关。因而掌握晶体结构缺陷的知识是掌握材料科学的基础。 理想晶体示意图 晶体缺陷示意图 理想晶体：质点严格按照空间点阵排列。 晶体缺陷：实际晶体中偏离理想完整点阵的部位或结构 间隙原子 空位 晶体缺陷按作用范围和几何形状分： 1、点缺陷——零维缺陷：空位、间隙原子、杂质原子 2、线缺陷——一维缺陷：刃型位错、螺型位错、混合型位错； 3、面缺陷——二维缺陷：层错、表面、晶界和孪晶缺陷； 4、体缺陷——三维缺陷：空隙与析出物。 缺陷尺寸处于原子大小的数量级上，包括：空位、间隙质点、杂质质点。 主要特征是在各个方向上都没有延伸，只是在某一个点上的缺陷。 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。一般情况下，随着温度升高，这种缺陷原子数目也增多 。 1．点缺陷 弗仑克尔缺陷 肖特基缺陷 肖特基缺陷空位：原子离开晶体（蒸发了）留下的空位。 弗仑克尔空位：形成空位和间隙原子对。 （1）空位： 由于某种原因，原子脱离了正常格点，而在原来的位置上留下了原子空位，或者说，空位就是未被占据的原子位置 。空位分为肖特基空位与弗伦克尔空位。 图4-4 空位和间隙原子周围的弹性畸变 间隙原子 空位 替位杂质 间隙杂质 （3）杂质原子： 取代晶格中的原子，进入正常格点位置或进入间隙位置的杂质原子。 如氧原子，在硅中主要占据间隙位置；特意掺入的B、Al、Ga、P、As等杂质，则为替位原子，它们在硅中占据晶格格点位置。原子半径较硅原子半径大的原子使晶格膨胀，而原子半径比硅原子半径小的则使晶格收缩，造成晶格缺陷。 3. 点缺陷形成原因 线缺陷是晶体中晶格的缺陷只在某一方