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3.1点缺陷

晶体中的点缺陷是在晶体晶格结点上或邻近区域偏离其正常结构的一种缺

陷，它是最简单的晶体缺陷，在三维空间各个方向上尺寸都很小，范围约为一个

或几个原子尺度。所有点缺陷的存在，都破坏了原有原子间作用力的平衡，造成

临近原子偏离其平衡位置，发生晶格畸变，使晶格内能升高。晶体点缺陷包括空

位、间隙原子、杂质或溶质原子，以及由它们组成的复杂点缺陷，如空位对、空

位团和空位-溶质原子对等。

3.1.1点缺陷的形成

在晶体中，位于点阵结点上的原子并非静止的，而是以其平衡位置为中心

作热振动。原子的振动能是按几率分布，有起伏涨落的。当某一原子具有足够大

的振动能而使振幅增大到一定限度时，就可能克服周围原子对它的制约作用，跳

离其原来的位置，使点阵中形成空结点，称为空位。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（图3.1a）；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（frenkel）缺陷（图

3.1b)；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(图3.1c)，如

下所示。

图3.1点缺陷示意图

3.1.2点缺陷的平衡浓度：

晶体中点缺陷的存在一方面造成点阵畸变，使晶体的内能升高，降低了晶体的热

力学稳定性，另一方面由于增大了原子排列的混乱程度，并改变了其周围原子的

振动频率，引起组态熵和振动熵的改变，使晶体熵值增大，增加了晶体的热力学

稳定性。这两个相互矛盾的因素使得晶体中的点缺陷在一定的温度下有一定的平

衡浓度。

空位在t温度时的平衡浓度为:

式中e为形成1个空位所需作的功，r=kn为气体常数(8.31j/mol)

v

间隙原子的平衡浓度c为:

△

式中n′为晶体中间隙位置总数；n为间隙原子数；e′为形成一个间隙原子

v

所需的能量

△△

在一般的晶体中间隙原子的形成能e′较大（约为空位形成能e的3～4

vv

倍）。因此，在同一温度下，晶体中间隙原子的平衡浓度c要比空位的平衡浓度

c′低得多。因此，在通常情况下，相对于空位，间隙原子可以忽略不计；但是在

高能粒子辐照后，产生大量的弗兰克尔缺陷，间隙原子数就不能忽略了。

3.1.3过饱和点缺陷(supersaturatedpointdefect)的产生

在点缺陷的平衡浓度下晶体的自由能最低，系统最稳定。当在一定的温度下，

晶体中点缺陷的数目明显超过其平衡浓度时，这些点缺陷称为过饱和点缺陷，通

常它的产生方式有三种:

淬火(quenching)

冷加工(coldworking)

辐照(radiation)

1.淬火高温时晶体中的空位浓度很高，经过淬火后，空位来不及通过扩散

达到平衡浓度，在低温下仍保持了较高的空位浓度。

2.冷加工金属在室温下进行压力加工时，由于位错交割所形成的割阶发生

攀移，从而使金属晶体内空位浓度增加。

3.辐照当金属受到高能粒子（中子、质子、氘核、α粒子、电子等）辐照

时，晶体中的原子将被击出，挤入晶格间隙中，由于被击出的原子具有很高的能

量，因此还有可能发生连锁作用，在晶体中形成大量的空位和间隙原子

3.1.3点缺陷对晶体材料性能的影响

一般情形下，点缺陷主要影响晶体的物理性质，如比容(specific