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[工学]5晶体缺陷改3
晶体结构缺陷 潘功配编,“固体化学”,南京大学出版社 B. Henderson著,范印哲译,“晶体缺陷”,高等教育出版社 缺陷产生的原因 点缺陷有时候对材料性能是有害的 锗酸铋 (BGO) 单晶无色透明,在室温下有很强的发光性能,是性能优异的新一代闪烁晶体材料,可以用于探测 X 射线、? 射线、正电子和带电粒子等,在高能物理、核物理、核医学和石油勘探等方面有广泛的应用。 BGO 单晶对纯度要求很高,如果含有千分之几的杂质,单晶在光和 X 射线辐照下就会变成棕色,形成发射损伤,探测性能就会明显下降。因此,任何点缺陷的存在都会对 BGO 单晶的性能产生显著影响。 点缺陷有时候对材料性能又是有利的 彩色电视荧光屏中的蓝色发光粉的主要原料是硫化锌 (ZnS) 。在硫化锌晶体中掺入约 0.0001% AgCl,Ag+ 和 Cl? 分别占据硫化锌晶体中 Zn2+ 和 S2? 的位置,形成晶格缺陷,破坏了晶体的周期性结构,使得杂质原子周围的电子能级与基体不同。这种掺杂的硫化锌晶体在阴极射线的激发下可以发出波长为 450 nm 的荧光。 按缺陷产生的原因分类 两种典型的热缺陷 两种典型的热缺陷 说明下列符号的含义: VNa’,VCl?,(VNa’VCl?),CaK?,CaCa,Cai?? 解:钠离子空位,带一个单位负电荷;氯离子空位,带一个单位正电荷;最邻近的Na+空位、Cl-空位形成的缔合中心;Ca2+占据K+位置,带一个单位正电荷;Ca原子位于Ca原子位置上;Ca2+处于晶格间隙位置。 基本规律: 低价正离子占据高价正离子位置时,该位置带有负电荷,为了保持电中性,会产生负离子空位或间隙正离子。 高价正离子占据低价正离子位置时,该位置带有正电荷,为了保持电中性,会产生正离子空位或间隙负离子。 点缺陷浓度的两种表示方式 格位浓度: 1 mol 格点位置中所含的缺陷的个数。 体积浓度:每单位体积中所含有的缺陷的个数。 位错学说的产生 人们很早就知道金属可以塑性变形,但对其机理不清楚。本世纪初到30年代,许多学者对晶体塑变做了不少实验工作。1926年弗兰克尔利用理想晶体的模型,假定滑移时滑移面两侧晶体象刚体一样,所有原子同步平移,并估算了理论切变强度τm= G/2(G为切变模量),与实验结果相比相差3~4个数量级,即使采用更完善一些的原子间作用力模型估算,τm值也为G/30,仍与实测临界切应力相差很大。这一矛盾在很长一段时间难以解释。1934年泰勒(G.I.Taylor),波朗依(M.Polanyi)和奥罗万(E.Orowan)三人几乎同时提出晶体中位错的概念。泰勒把位错与晶体塑变的滑移联系起来,认为位错在切应力作用下发生运动,依靠位错的逐步传递完成了滑移过程,如下图。 与刚性滑移不同,位错的移动只需邻近原子作很小距离的弹性偏移就能实现,而晶体其他区域的原子仍处在正常位置,因此滑移所需的临界切应力大为减小。在这之后,人们对位错进行了大量研究工作。1939年柏格斯(Burgers)提出用柏氏矢量来表征位错的特性的重要意义,同时引入螺型位错。1947年柯垂耳(A.H.Cottrell)利用溶质原子与位错的交互作用解释了低碳钢的屈服现象。1950年弗兰克(Frank)与瑞德(Read)同时提出了位错增殖机制F—R位错源。50年代后,透射电镜直接观测到了晶体中位错的存在、运动和增殖。这一系列的研究促进了位错理论的形成和发展。 2.4.2.1刃型位错 2.4.2.2 Screw dislocation 设想把晶体沿某一端任一处切开,并对相应的平面BCFE两边的晶体施加切应力,使两个切开面沿垂直晶面的方向相对滑移1个晶格间距,则平面BCFE就是滑移面,滑移区边界EF就是螺型位错线。 体缺陷 (三维缺陷) 在三维方向上尺寸都比较大的缺陷。 例如,固体中包藏的杂质、沉淀和空洞等 从化学组成、相组成考虑,固溶体、化合物和机械混合物的区别列下表比较 。 固溶体、化合物和机械混合物比较 (以AO溶质溶解在B2O3溶剂中为例) 固溶度 固溶度指的是固溶体中溶质的最大含量。可以由实验测定,也可以根据热力学原理进行计算。 填隙型固溶体的固溶度一般都是有限的,这是因为填隙本身比较困难。 置换型固溶体的固溶度随体系的不同差异较大,可以从几个 ppm 到 100%(无限互溶)。 Au-Ag(Cu)之间可以形成连续固溶体:Au 的半径为 0.137 nm,Ag 的半径为 0.126 nm。原子半径差为 8.7%。Cu的半径为 0.128 nm 常见的金首饰 14 K (含金量58.33%)、18 K (含金量75%)、22 K (含金量91.67%)、24 K (含金量99.99%) 等都是金和银 (或铜) 的固溶体 MgO-NiO之间也可
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