第4章固体物理.ppt

设从A点到B点经过f小步，每一小步的距离为xi (i=1，2，…，f )，显然 对于无规则运动，X的方向是完全杂乱的，必须按均方根值的办法来求x，即 因为所有的小步都是完全独立的，且如果f是个大数，则 所以 4.5 扩散的微观机构 与填隙原子相邻的一个格点是空位的概率是n1/N， 因此填隙原子跳N/n1小步才能遇到一个空位与之复合，所以 f=N/n1，如果把每一小步的距离都看作等于a，于是 从A点到B点所花费的时间 其中?2是原子从一个间隙位置跳到相邻间隙位置要等待的时间，由于f是个大数，因此上式可以略去1， A B 填隙原子的扩散 4.5 扩散的微观机构 4.5 扩散的微观机构 一般说来，u2大于u1，所以同样温度下，D1要比D2大得多。 N0是阿伏伽德罗常量，R是摩尔气体常量，N0ε代表摩尔扩散的激活能。对于空位扩散机构，ε=u1+E1；对于填隙原子机构，ε=u2+E2。 以上模型过于理想化，实际晶体中的缺陷，还有线缺陷、面缺陷等，所以实验测定的一些金属的自扩散系数比理论值大几个数量级。 4.5 扩散的微观机构 （3）杂质原子扩散 依赖于杂质原子在晶体中的存在方式。 当杂质原子以填隙原子的形式存在时，每跳一步所花的时间为： 其中?0为杂质原子的振动频率，E是杂质原子从一个间隙跳到另一个间隙时所克服的晶格势垒。 4.5 扩散的微观机构 在此时间内 填隙式杂质原子的扩散系数 设 因为N远大于n2，所以，杂质原子的扩散系数比晶体填隙原子的自扩散系数要大得多。 4.5 扩散的微观机构 典型A＋B－离子晶体 离子晶体中的缺陷 A＋填隙离子 B－填隙离子 + + + + _ _ + + + _ _ + + _ _ _ + + + _ _ + _ _ _ B－空位 A＋空位 4.6 离子晶体热缺陷的迁移 设Ci、Vi分别代表第i种热缺陷的浓度和漂移速度，则四 种缺陷总的电流密度为 其中正电的ei=e,负电荷的ei=－e。 假定各热缺陷的运动是独立的，可分析其中任一种热缺陷来讨论离子缺陷在外电场下的运动情况。 4.6 离子晶体热缺陷的迁移 第四章 晶体中的缺陷与运动 掌握缺陷的基本类型、性质，了解缺陷的统计和扩散理论。 教学目的： 缺陷的含义： 指实际晶体中与理想的点阵结构发生偏差的区域。 4.1晶体缺陷的类型 点缺陷、线缺陷、面缺陷等。 热缺陷、杂质缺陷、非化学计量缺陷等。 晶体中的缺陷与运动 按缺陷的几何形态： 按缺陷形成原因： (1)点缺陷 晶格中的填隙原子、空位、杂质原子等，称为点缺陷，它们所引起晶格周期性的破坏，发生在一个或几个晶格常数的线度范围内。 4.1晶体缺陷的类型 （a）弗仑克尔缺陷 （b）肖特基缺陷 (1)点缺陷 热缺陷 (1)点缺陷 杂质原子 （a）替位式 （b）间隙式 微量杂质缺陷大大改变了晶体的物理性质。 4.1晶体缺陷的类型 (1)点缺陷 色心： 能吸收光的点缺陷。 一种非化学计量比引起的空位缺陷。 离子晶体中负离子空位束缚一个电子的组合。 (a) F心 (b) V心 捕获一个空穴的阳离子空位。 ＋　－ ＋　－ －　＋ 　　＋ ＋　－ ＋　－ －　＋ －　＋ · (a) F心 -e (b) V心 ＋　－ ＋　－ －　 －　＋ ＋　－ ＋　－ －　＋ －　＋ * +e 典型的色心-F心：离子晶体中负离子空位束缚一个电子的组合。在此情况下，空位可以看做是电子的陷阱。为简单起见，势阱的宽度取为离子的尺寸，对典型离子晶体设晶格常数为a，陷阱宽度为a/2。根据量子力学，束缚电子的能量为： 其中为m电子质量，n为整数，n＝1时为基态，n＝2时为 第一激发态。 4.1晶体缺陷的类型 电子从基态跃迁到第一激发态所吸收的能量 式中ω为吸收光子的角频率，吸收光的波长与晶格常数的平方成正比，即莫罗关系 λ∝a2 可见离子尺寸越小 ，F心吸收光的波长就越短，反之越长。 4.1晶体缺陷的类型 4.1晶体缺陷的类型 (2) 线缺陷 周期性遭受破坏的区域形成一条线。 (a)刃位错 （I） （II） (b)螺位错 （I） （III） （III） （II） (3)面缺陷 小角晶界示意图 4.1晶体缺陷的类型 (a)堆垛层错： 如:ABCABCABCBCABC, 中缺少了一层A面。 可看作由一排刃形位错构成。 (b)小角晶界: 小角晶界的环纹暗场像 晶粒1 晶粒2 晶界 晶界原子排列示意图 (4)体缺陷 大尺寸的亚微观甚至宏观缺陷，如包裹体、裂纹、气孔等。 刃位错的滑移 晶体滑移示意图 滑移面 4.2位错的某些性质 位