晶格位置缺陷弗兰克尔.PPT

什么是理想晶体？ 什么是晶体中的缺陷 ？ 理想晶体 晶体缺陷 偏离理想点阵结构的部位叫做晶体的缺陷或晶体的不完整性 。 晶体缺陷分类 点缺陷 线缺陷 面缺陷 体缺陷 点缺陷 偏离理想点阵结构的部位仅为一个或几个原子范围，在所有的方向上尺度都很小，也称为零维缺陷，如空位、间隙原子、杂质原子、色心等。 线缺陷 偏离理想点阵的部位为一条线，在其它两个方向上尺寸比较小，也称一维缺陷，如各种类型的位错。 面缺陷 偏离理想点阵结构的部位为二维尺寸比较大的面，也称二维缺陷，如晶界、相界(表面、界面)、堆垛层错等。 体缺陷 在晶体中三维尺寸都比较大的缺陷，也称三维缺陷，如孔洞、夹杂物、沉淀物 原生缺陷:晶体缺陷可在晶体生长中产生 二次缺陷:也可在晶体加工、热处理过程以及高能粒子的辐射或轰击过程中产生 第一节 点缺陷 1．点缺陷的类型 晶体中的点缺陷包括空位、间隙原子和杂质原子，以及由它们组成的复杂缺陷(如空位团、空位一杂质复合体等)。 钙钛矿晶体结构 本征缺陷 组成晶体的基体原子的排列错误形成的点缺陷称为本征缺陷，又称晶格位置缺陷 杂质缺陷 而由外来杂质原子引起的各种缺陷，称杂质缺陷。 本征缺陷 例一：加热FeO(方铁矿)，失去部分正离子，形成空位缺陷： 例二：过量Zn原子可以溶解在ZnO中，进入晶格的间隙位，形成 ，同时它把两个电子松弛的束缚在其周围，形成 ，也可以写作( +2e’)，这两个电子很容易被激发到导带中。 例三：Fe3O4中，全部的Fe2+和1/2的Fe3+统计的分布在由O2-离子密堆积所构成的八面体间隙中，其余1/2量的Fe3+则位于四面体间隙，这种亚晶格点阵位置上存在不用价态离子的情况也是一种本征点缺陷。由于在Fe2+- Fe3+- Fe2+- Fe3+-……之间，电子可以迁移，所以Fe3O4是一种本征半导体。 (1)晶格位置缺陷 弗兰克尔(Frenkel)缺陷 肖特基(Schottky)缺陷 （i）弗兰克尔(Frenkel)缺陷 晶体中的某一原子，由于温度升高，振动加剧，脱离了其平衡结构，就在某一点形成空位而在另一位置出现间隙原子，即空位和间隙原子成对出现，故晶体中空位数目和间隙原子数目相等，这种缺陷称弗兰克尔缺陷. 弗兰克尔(Frenkel)缺陷 (ii）肖特基(Schottky)缺陷 在晶体中只有空位而没有间隙原子的缺陷称为肖特基缺陷。 肖特基(Schottky)缺陷 (2)杂质缺陷 置换型杂质原子 间隙型杂质原子 置换型杂质原子 杂质原子或离子进入原晶体中正常的点阵结构位置上，被束缚在杂质原子处的电子或空穴取决于杂质原子与被取代的原子的价电子的相对数目。 杂质原子/离子能否进入某种物质的晶体中或者取代某个原子/离子，取决与能量效应是否有利，能量效应包括：离子之间的静电作用能、键合能及相应的体积效应等因素.  左：杂质原子半径比基质原子半径大右：杂质原子半径比基质原子半径小 杂质缺陷 对于取代 离子型晶体：正负离子电负性差别较大，杂质离子应进入与其电负性相近的离子的位置上。 当化合物组成元素电负性相差不大，或杂质元素的电负性介于它们的电负性之间时，则原子的大小等几何因素决定取代过程能否进行的主要因素。 间隙型杂质原子 外来杂质原子进入晶体中的间隙位置，这种杂质原子称为间隙型杂质原子。 间隙型杂质原子 杂质缺陷 当杂质离子的价态和它所取代的基质晶体中的离子的价态不同时，会给晶体带入额外的电荷，这些额外的电荷必须同时由具有相反电荷的其它缺陷来加以补偿，使整个晶体保持电中性，掺杂才能继续进行。 例一：BaTiO3中掺入La3+，形成 ，则同时必须有等量的Ti4+被还原成Ti3+，形成 生成物的组成可以写为： (3)电荷缺陷 思考题 弗兰克尔(Frenkel)缺陷 和肖特基(Schotky)缺陷的区别。 为什么在电荷缺陷中，电子和空穴总是成对出现？ * * 具有完整点阵结构的晶体 简单立方晶体 造成晶体点阵结构的周期势场畸变的 一切因素，都可称为晶体的不完整性 或晶体缺陷。 本征缺陷 杂质缺陷 在符合化学计量的离子晶体中，必须使正负离子的空位数之比与正负离子数之比相等以保持整个晶体的电中性。 一般原子半径不大于15％的元素之间可相互取代，形成置换型杂质原子。 金属杂质离子将占据晶体中原来金属离子的位置，非金属杂质离子占据晶体中原来非金属离子的位置。 例：各种金属间化合物或者共价化合物中，原子半径相近的(15%)元素可以相互取代。Si在InSb中占据Sb位；在GaAs中，Si即可占据Ga位，又可占据As位；Ge在InSb中占据In位，在GaSb中则占据Sb位；Sn在GaSb中占据Ga位，在In