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在一定温度下,热缺陷处在不断的产生和消失过程中,新的热缺陷不断产生,老的热缺陷这不断地由于复合而消失。单位时间内产生和复合消失掉的数目相等时,热缺陷的数目保持不变。具有平衡点缺陷的晶体比理想晶体在热力学上更为稳定,因此在热平衡时总会存在一定数量的点缺陷。 (原因:晶体中形成点缺陷时,体系内能的增加将使自由能升高,但体系熵值也增加了,这一因素又使自由能降低。其结果是在G-n曲线上出现了最低值,对应的n值即为平衡热缺陷数。) 热力学统计物理的方法比较适合研究一个平衡过程。 任何过程的发生都会影响自由能的改变,自由能可写成如下形式 F=U-TS * * 第四章 晶体中的缺陷与运动 §4-1 缺陷的类型 §4-2 热缺陷数目的统计 §4-3 热缺陷的运动 产生和复合 §4-4 扩散方程 扩散系数 §4-5 扩散的微观机制 晶体的主要特征是其中原子(分子)的规则排列,但实际晶体中原子的排列总是或多或少地偏离了严格的周期性。 晶体中的原子作微振动,就破坏了周期性。 在热起伏过程中,晶体的某些原子振动剧烈,脱离了格点而跑到表面上,在内部留下了空点位,即空位。或者脱离格点的原子进入了晶格间隙的位置,形成了填隙原子。此外,外来的原子(杂质)进入晶体后,可以 处在间隙的位置上形成填隙式的杂质,也可占据空位而形成替位式杂质。所举得这些例子表示晶体中某些格点上,周期性被破坏了,这统称为点缺陷。晶体中的缺陷类型很多,影响着晶体的力学、热学、电学、光学等方面性质。 固体物理是在研究理想完整晶体的基础上,从研究晶体中微量缺陷及其对晶体性质影响展开的。作为基础,本章对缺陷及其运动的基本方面做些概括性介绍。 §4-1 缺陷的类型 缺陷的种类很多,可概括地分为点缺陷、线缺陷及其他类型缺陷。 缺陷的含义:晶体缺陷就是指实际晶体中与理想的点阵结构发生偏差的区域。 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。 空位 在热起伏过程中,晶体的某些原子振动剧烈,脱离了格点而跑到表面上,在内部留下了空点位。 间隙原子 脱离格点的原子进入了晶格间隙的位置。 异类原子 外来的原子(杂质)进入晶体后,可以处在间隙的位置上形成填隙式的杂质,也可占据空位而形成替位式杂质。 上面所说的空位、填隙原子、杂质原子等,它们引起晶格周期性的破坏,发生在一个或几个晶格常数的限度范围内,这类缺陷称为点缺陷。由热起伏的原因所产生的空位和填隙原子又称作热缺陷。 1、点缺陷 (1)弗伦克尔缺陷和肖特基缺陷 常见的热缺陷: (i)原子脱离格点后,形成填隙原子,称这样的热缺陷为弗伦克尔缺陷。这里,空位和填隙原子数目相等。在一定温度下,弗伦克尔缺陷的产生和复合的过程平衡。 (ii)晶体内部只有空位,这样的热缺陷称为肖脱基缺陷。原子脱离格点后,并不在晶体内部构成填隙原子,而是跑到晶体表面上正常的格点位置,构成新的一层。在一定的温度下,晶体内部的空位与表面上的原子处于平衡。 (iii)晶体表面上的原子跑到晶体内部间隙的位置,如图。这时晶体内部只有填隙原子。在一定的温度下,这些填隙原子与表面上的原子处于平衡。 应当指出,构成填隙原子的缺陷时,必须使原子挤入晶格的间隙位置,这所需的能量要比造成空位的能量大些,所以肖脱基缺陷存在的可能性要比弗伦克尔的可能性大得多。 (2)替位式杂质原子(离子): 为了有目的地改善晶体的某些性质,常常有控制地在晶体中引入某类外来原子,形成替位或间隙式杂质。 如在半导体Si,Ge中掺入三价B,Al,Ge,或五价P,As等,可使Ge,Si的电学性质有很大的改变。在Fe中掺入 C,使铁变成钢,大大提高铁的强度和硬度。 (3)色心 把碱卤晶体在碱金属的蒸汽中加热,然后使它骤冷到室温,则原来透明的晶体就出现了颜色:氯化钠变成了淡黄色,氯化钾变成紫色,氯化锂呈粉红色等等。研究这些晶体的吸收光谱,发现在可见光区各有一个象钟型的吸收带,称为F; 而把产生这个带的吸收中心叫做F心(即色心) 把碱卤晶体在碱金属的蒸汽中加热而后骤冷的过程称为增色过程,并把经过这样处理后而具有F心的碱卤晶体称增色的碱卤晶体。 F心模型(德.波尔模型) 增色过程中碱金属原子扩散进入晶体,并以一价离子的形式占据了晶格的正离子位置,同时晶格出现了负离子空位,原来在碱金属原子上的一个电子就被负离子空位所俘获而束缚在其周围。因此增色的碱卤晶体是含碱金属过剩的碱卤晶体。F心是一个卤素负离子空位加上一个被束缚在其库伦场中的电子。实质上,F心的组态和氢
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