《第二章缺陷-3》精选课件.pptVIP

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* * 非化学计量化合物 非化学计量化合物:在化学组成上偏离化学计量,不同原子的数量不是一个简单的固定比例 TiO2-x Fe1-xO 几乎所有晶体都偏离理想化学计量,但有较大程度偏差的化合物并不多 非化计量缺陷容易出现在具有易变价的阳离子形成的化合物中 热缺陷:由晶格热起伏引起 杂质缺陷:由外来杂质引起 非化学计量化合物:由于组成(气氛、环境影响)而引起的缺陷-产生组分、电荷缺陷及色心 非化学计量化合物的特点: 1)非化学计量化合物产生及缺陷浓度与气氛性质、压力有关 2)可以看作是高价化合物与低价化合物的固溶体 3)缺陷浓度与温度有关 4)非化学计量化合物都是半导体 非化学计量缺陷的四种类型 1、阴离子缺位, TiO2-x ZnO1-x 2、阳离子填隙, Zn1+x O Cd1+xO, Cr2+xO3 3、阴离子填隙, UO2+x 4、阳离子缺位, Co1-xO Ca1-xO Cu2-xO 一、负离子空位型 TiO2、ZrO2 二氧化钛(TiO2-X),从化学计量的角度,晶体中氧不足,即存在氧空位;而从化学的观点来看,为Ti2O3在TiO2中的固溶体 二氧化钛晶体中,氧不足,为保持电中性,组分缺陷使部分Ti4+降价Ti3+,即Ti4+得到一个电子变成Ti3+,此电子不属于某一个特定的钛离子,可看作是在负离子空位的周围,束缚了过剩电子,以保持电中性 二氧化钛非化学计量缺陷反应方程为 等 价 于 失去氧,氧不足 [OO]基本不变 故二氧化钛的非化学计量对氧分压较敏感,烧结含二氧化钛的陶瓷时,要注意氧气分压 气氛,失O 氧离子空位束缚2准自由电子,准自由电子(非定域)与邻近钛离子相连,使其变价,但不特属特定钛原子 在E作用下,准自由电子可以从一个Ti4+转 移到另一个Ti4+形成电子电导――N型半导体 当晶体中存在0.5%的4价钛离子被还原为3价,则其电阻率将下降105-107数量级 现象:TiO2在还原气氛下由黄色变为灰黑色: 原因:晶体内形成色心使晶体着色 TiO2-x结构缺陷在氧空位上捕获两个电子,成为一种色心。色心上的电子能吸收一定波长的光,使氧化钛从黄色变成蓝色直至灰黑色。 色心、色心的产生及恢复 “色心”是由于电子补偿而引起的一种缺陷。 某些晶体,如果有x射线,γ射线,中子或电子辐照,往往会产生颜色。由于辐照破坏晶格,产生了各种类型的点缺陷。为在缺陷区域保持电中性,过剩的电子或过剩正电荷(电子空穴)就处在缺陷的位置上。在点缺陷上的电荷,具有一系列分离的允许能级。这些允许能级相当于在可见光谱区域的光子能级,能吸收一定波长的光,使材料呈现某种颜色。 把这种经过辐照而变色的晶体加热,能使缺陷扩散掉,使辐照破坏得到修复,晶体失去颜色。 二、间隙正离子型 Zn1+XO、Cd1+XO 在该类晶体中,过剩的金属正离子进入间隙,等价的电子被束缚在间隙金属离子的周围以保持电中性 e 缺陷反应可以表示如下: 或 按质量作用定律 间隙锌离子的浓度与锌蒸汽压的关系为(此为一种模型) 如果Zn离子化程度不足,可以有 (另一种模型) 上述反应进行的同时,进行氧化反应: 图2.24 在650℃下,ZnO电导率与氧分压的关系 0.6 1.0 2.6 3.0 1.8 1.4 -2.5 -2.7 2.2 -2.1 logσ -2.3 Log PO2 (mmHg) 实测ZnO电导率与氧分压的关系支持了单电荷间隙的模型,即后一种是正确的。 三、正离子空位型 Fe1-xO 由于正离子空位存在,为保持电中性,在正离子空位周围捕获电子空穴 M X M X M X X M X M X M X M X M X M X h h 正离子空位(带负电)束缚周围2个准自由空穴能级容易实现空穴导电,形成p型半导体 V色心 Fe1-XO可看成是Fe2O3在FeO中的固溶体 缺陷的生成反应: 等价于: 随着氧压力的增大,电子空穴浓度增大,电导率也相应增大。 四、间隙负离子型 目前仅有UO2+X具有这类结构,可看成是UO3在UO2中的固溶体 由于存在间隙负离子,结构中引入电子空穴,相应的正离子升价。电子空穴在电场作用下会移动而产生电导――P型半导体 h 对于UO2+x中的缺焰反应可以表示为: 等价于: 根据质量作用定律 又 [h●]=2[Oi’’] 由此可得: [Oi’’]∝PO21/6。 随着氧压力的增大,间隙氧的浓度增大,这种类型的缺陷化合物是P型

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