材料科学基础第3章-晶体缺陷 1.ppt

第三章 晶体中的缺陷 第1节 概 述 一、缺陷的概念 大多数固体是晶体，晶体正是以其特殊的构型被人们最早认识。因此目前(至少在80年代以前)人们理解的“固体物理”主要是指晶体。当然这也是因为客观上晶体的理论相对成熟。 在晶体理论发展中，空间点阵的概念非常重要。空间点阵中，用几何上规则的点来描述晶体中的原子排列，并连成格子，这些点被称为格点，格子被称为点阵，这就是空间点阵的基本思想，它是对晶体原子排列的抽象。空间点阵在晶体学理论的发展中起到了重要作用。可以说，它是晶体学理论的基础。现代的晶体理论基于晶体具有宏观平移对称性，并因此发展了空间点阵学说。 第1节 概 述 所谓平移对称性就是指对一空间点阵，任选一个最小基本单元，在空间三维方向进行平移，这个单元能够无一遗漏的完全复制所有空间格点。 第1节 概 述 第1节 概 述 第1节 概 述 第1节 概 述 第1节 概 述 第1节 概 述 第1节 概 述 第1节 概 述 第2节点缺陷 第2节点缺陷 对于离子晶体，因为无论Schottky缺陷还是Frenkel缺陷都是成对出现的；同时，对于离子晶体，其点缺陷的形成能一般都比较大，所以，一般的离子晶体中平衡状态下的点缺陷浓度非常低。 不同温度下的缺陷平衡浓度 缺陷类型 形成能 不同温度下的缺陷平衡浓度 573℃ 1073℃ 1573℃ 空位 ≈1 10-17 10-7 10-4 间隙原子 ≈4 10-67 10-25 10-15 第2节点缺陷 五、点缺陷的运动 对于一定的体系，平衡时点缺陷的数目是一定的，但这仅仅是一种动态平衡和稳定。考虑到原子的热运动和能量的起伏，一个原子可能脱离平衡位置而占据另一空位。虽然空位数目不增加，但确实存在原子的迁移。 主要包括空位的迁移和复合两种运动方式。 第2节点缺陷 如图所示，空位缺陷的运动实质上是原子的迁移过程，它构成了晶体中原子传输的基础。 1、空位的迁移 第2节点缺陷 如图所示，间隙原子迁移到空位，两种缺陷同时消失，这称为点缺陷的复合。缺陷的复合也是晶体中重要的点缺陷运动方式。 2、空位的复合 第2节点缺陷 六、点缺陷对晶体性能的影响 1.电阻的变化 晶体的电阻来源于离子对传导电子的散射。在完整的晶体中，电子基本上是在均匀电场中运动，而在有缺陷的晶体中，由于缺陷区点阵周期性的破坏，电场急剧变化，因而对电子产生强烈散射，导致电阻上升。空位对于传导电子产生附加散射，而引起电阻率ρ的增加。 淬火可以将高温状态下晶体内部的高浓度缺陷 保留到室温。 不同的淬火温度可得到不同的空位浓度，因而电阻率也不同。 第2节点缺陷 铁在不同温度淬火后测量的电阻率 淬火温度T(℃) 300 500 700 1000 1500 电阻率ρ(10-10Ωm) 12.290 12.548 12.686 12.819 12.966 * * 由于局部地方格点的破坏导致平移操作无法完整地复制全部的二维点阵。这样的晶体，我们就称之为含缺陷的晶体，对称性破坏的局部区域称为晶体缺陷。 晶体缺陷的产生与晶体的生长条件，晶体中原子的热运动以及对晶体的加工工艺等有关。事实上，任何晶体即使在绝对零度都含有缺陷，自然界中理想晶体是不存在的。 既然存在着对称性缺陷，平移操作不能复制全部格点，那么空间点阵的概念能否应用到含有缺陷的晶体中？晶体理论的基石是不是不再牢固？ 例如20℃时，Cu的空位浓度为3.8×10-17，充分退火后Fe中的位错密度为1012m-2（空位、位错都是以后要介绍的缺陷形态） 从缺陷所占有原子百分数来说，晶体中的缺陷在数量上是微不足道的。因此，整体上看，可以认为一般晶体是近乎完整的。 因此，晶体理论仍然适用。 既然晶体已可以认为是近乎“完整的”，那么建立缺陷概念的意义何在？ 晶体的生长、性能以及加工等无一不与缺陷紧密相关。因为正是这千分之一、万分之一的缺陷，对晶体的性能产生了不容小视的作用。这种影响无论在微观或宏观上都具有相当的重要性。 一般说来，由于缺陷的存在使金属性能的变化如下：电阻上升；磁矫顽力增大；扩散速率加快；耐腐蚀性下降；力学性能发生几个数量级变化等。 可以毫不夸张地说，缺陷是晶体理论中最重要的内容之一。 因此，对于缺陷知识的学习和掌握在材料学的研究和材料的工程应用中都是十分重要的。 当然不能否认当缺陷比例过高以致于这种“完整性”无论从实验或从理论上都不复存在时，此时的固体便不能用空间点阵来描述，也不能被称之为晶体。这便是材料中的另