结晶学晶体缺陷.pdf

第六章：晶体缺陷 § 6.1 空位、杂质和填隙原子 § 6.2 位错 § 6.3 表面、晶界、畴界 补充：光子晶体和超构材料 第六章：晶体缺陷 晶体缺陷是晶体中的原子对理想位置的静态偏离，包括平 衡 （固有）缺陷和非平衡缺陷 （冻结）缺陷。晶体的许多 性质，如力学性质、半导体性质、光学性质和一些化学性 质依赖于晶体缺陷，这类性质称为缺陷敏感性质，反之是 非缺陷敏感性质 （如密度、热容等）。 缺陷分类： 零维点缺陷：空位、填隙原子、杂质原子； 一维线缺陷：位错、点缺陷链； 二维面缺陷：表面、晶界、堆垛层错； 三维体缺陷：空洞、夹杂物、沉淀物。 第六章：晶体缺陷 § 6.1 空位、杂质和填隙原子 空位是晶体中未被占据的原子位置； 填隙原子是进入原子间隙位置的晶体组成原子； 杂质是进入晶体的异质原子。 空位和填隙原子是一对对立物： 空位和填隙原子相遇时可复合而消失； 进入间隙的原子会在原位置留下一个空位。 第六章：晶体缺陷 § 6.1 空位、杂质和填隙原子 点缺陷的平衡浓度： 点缺陷的形成会使内能增加，空位的形成能约为结合能的 一半，在1eV上下，而填隙原子的形成能则达到几个eV 。 但是，一定数目的点缺陷在很大数目的等价位置上的分布 组态还会使熵增大。 一个空位的形成是将晶体内的一个原子移到表面，让N个 原子占据N+1个位置，； 一个填隙原子的形成则是将一个表面原子塞入间隙，是让 一个原子占据N · n个间隙位置， N个原子的晶体中取出n个原子形成点缺陷的独立方式数 为： N ! Cn N   n! N n ! 相应的组态熵为： N ! n S k ln k n ln 0 n!N n! 0 N 自由能为： n F nE TS nE k nT ln 0 N 平衡浓度为： n   exp E k T 0 N 除了简单的空位和填隙原子，离子晶体中还存在着夫伦克 耳缺陷、肖脱基缺陷，及其对应物，它们都是缺陷对，是 局域电中性要求的结果，其平衡浓度为： n   exp E 2k T 0 N N 1 2 缺陷对的生成能 Frenkel缺陷对 Schottky缺陷对 反Schottky缺陷对 另外，代位式杂质原子也是一种点缺陷，它的形成能可能 比空位还低，因此少量杂质原子的存在在热力学上是有利 的，从而决定了晶体的极限纯度。