[理学]材料科学基础第05章晶体缺陷.ppt

第5章 晶体缺陷 5.1 点缺陷 5.2 位错 5.3 表面及界面 缺陷的含义：通常把晶体点阵结构中周期性势场的畸变称为晶体的结构缺陷。 理想晶体：质点严格按照空间点阵排列。 实际晶体：存在着各种各样的结构的不完整性。 缺陷对材料性能的影响 缺陷的分类方式： 形成原因：热缺陷、杂质缺陷、非化学计量缺陷等 几何形态：点缺陷、线缺陷、面缺陷等　 缺陷的形成原因 1.热缺陷 定义:热缺陷亦称为本征缺陷，是指由热起伏的原因所产生的空位或间隙质点（原子或离子）。 类型:弗仑克尔缺陷（Frenkel defect）和肖特基缺陷（Schottky defect） 热缺陷浓度与温度的关系:温度升高时，热缺陷浓度增加 缺陷的形成原因 2.杂质缺陷 定义:亦称为组成缺陷，是由外加杂质的引入所产生的缺陷。 特征:如果杂质的含量在固溶体的溶解度范围内，则杂质缺陷的浓度与温度无关。 杂质缺陷对材料性能的影响 缺陷的形成原因 3.非化学计量缺陷 定义:指组成上偏离化学中的定比定律所形成的缺陷。它是由基质晶体与介质中的某些组分发生交换而产生。如Fe1－xO、Zn1+xO等晶体中的缺陷。 特点:其化学组成随周围气氛的性质及其分压大小而变化。是一种半导体材料。 4. 其它原因，如电荷缺陷，辐照缺陷等 5.1 点缺陷 基本概念：如果在任何方向上缺陷区的尺寸都远小于晶体或晶粒的线度，因而可以忽略不计，那么这种缺陷就叫做点缺陷。 点缺陷是最简单的晶体缺陷，它是在结点上或邻近的微观区域内偏离晶体结构的正常排列的一种缺陷。 5.1 点缺陷 基本类型： 空位（vacancy） ：实际晶体中某些晶格结点的原子脱离原位，形成的空着的结点位置就叫做空位。 间隙原子（interstitial particle） ：进入点阵间隙中的原子称为间隙原子。 置换原子（foreign particle）：那些占据原来基体原子平衡位置上的异类原子称为置换原子。 5.1 点缺陷 5.1.1 点缺陷的形成 离开平衡位置的原子有三个去处：一是迁移到晶体表面或内表面的正常结点位置上，而使晶体内部留下空位，称为肖脱基（Schottky）空位；二是挤入点阵的间隙位置，而在晶体中同时形成数目相等的空位和间隙原子，则称为弗兰克尔（Frenkel）缺陷；三是跑到其他空位中，使空位消失或使空位移位。另外，在一定条件下，晶体表面上的原子也可能跑到晶体内部的间隙位置形成间隙原子，如图演示。 5.1 点缺陷 肖脱基缺陷：脱离平衡位置的原子如果逃逸到晶体外表面，在原来位置只形成空位，没有形成间隙原子，这样的空位缺陷叫做 Schottky defect 或 Schottky vacancy 。 弗兰克尔缺陷：如果脱离平衡位置的原子进入到晶格间隙中，则同时形成了等量的空位和间隙原子，这样的缺陷叫做 Frenkel defect。 离子晶体：负离子不能到间隙; 局部电中性要求 Frenkel defect 和 Schottky defect产生示意图 5.1 点缺陷 5.1.2 点缺陷的平衡浓度 热力学分析表明，在高于0K的任何温度下，晶体最稳定的状态并不是完整晶体，而是含有一定浓度的点缺陷状态，即在该浓度情况下，自由能最低。这个浓度就称为该温度下晶体中点缺陷的平衡浓度。 空位形成能: 空位的出现破坏了其周围的结合状态，因而造成局部能量的升高，由空位的出现而高于没有空位时的那一部分能量称为“空位形成能”。 空位的出现提高了体系的熵值 5.1 点缺陷 5.1.2 点缺陷的平衡浓度 假设温度T和压强P条件下，从N个原子组成的完整晶体中取走n个原子，即生成n个空位。并定义晶体中空位缺陷的平衡浓度为：x=n/N 5.1 点缺陷 5.1.2 点缺陷的平衡浓度 若已知ΔUV和ΔSV，则可由上式计算出任一温度T下的浓度X. 由上式可得： 1）晶体中空位在热力学上是稳定的，一定温度T对应一平衡浓度X 2）X与T呈指数关系，温度升高，空位浓度增大 3）空位形成能ΔUV大，空位浓度小 例如：已知铜中ΔUV=1.7×10-19J，A取为1，则 5.1 点缺陷 5.1.2 点缺陷的平衡浓度 非平衡浓度：在有些情况下，晶体中的点缺陷浓度可能高于平衡浓度，这样的点缺陷称为过饱和点缺陷，或非平衡点缺陷。 高温淬火 冷加工 辐照 5.1 点缺陷 5.1.3 点缺陷的运动 在一定温度下，晶体中达到统计平衡的空位和间隙原子的数目是一定的，而且晶体中的点缺陷并不是固定不动的，而是处于不断的运动过程中。在运动过程中，当间隙原子与一个空位相遇时，它将落入该空位，而使两者都消失，这一过程称为复合。 晶体中的原子正是由于空位和间隙原子不断地产生与复合才不停地由一处向另一处作无规则的布朗运动，这就是晶体