固体物理学教案1

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1、第五章晶体中的缺陷完美晶体：所有原子或离子都排列在晶格中它们自己的位置上，没有外来的杂质；晶体的原子之比符合化学计量比。实际晶体：与理想晶体有一些差异。或多或少地存在这样那样的缺陷。晶体缺陷的存在，破坏了完美晶体的有序性，引起晶体内能U和熵S增加。按缺陷在空间的几何构型可将缺陷分为点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷，它们分别取决于缺陷的延伸范围是零维、一维、二维还是三维来近似描述。每一类缺陷都会对晶体的性能产生很大影响，例如点缺陷会影响晶体的电学、光学和机械性能，线缺陷会严重影响晶体的强度、电性能等。5.1点缺陷

2、热缺陷热缺陷的统计杂质原子色心极化子热缺陷点缺陷__晶体周期性被破坏的程度在一个点附近1至几个原子间距范围.热缺陷__由于晶格热运动而产生的点缺陷.包含空位、填隙原子和夫仑克尔缺陷。1）空位（Schottky缺陷）和填隙原子2）Frenkel缺陷：空位—填隙原子对称为Frenkel缺陷。热缺陷的统计1)热缺陷的数目由热力学可知，在等温过程中，当热缺陷数目达到平衡时，系统的自由能取极小值：a）空位的平衡数目设：晶体中原子总数：N形成一个空位所需能量：u1晶体中空位数：n1（N>>n1）由于晶体中出现空位，系统自

3、由能的改变：，W：系统可能出现的微观状态数晶体中没有空位时，系统原有的微观状态数为W0，由于出现空位，系统的微观状态数增加W1。假设：W0和W1相互独立，有：W＝W0W1于是有：在N+n1个原子位置中出现n1个空位，其微观状态数为：达到平衡时：利用Stirling公式，当x很大时，有：b）间隙原子的平衡数目晶体中间隙原子位置的总数：N’形成一个间隙原子所需能量：u2平衡时晶体中的间隙原子数：n2（设n2<

4、renkel缺陷的平衡数目为：其中：nf＝n1＝n2，uf＝u1＋u2：形成一个Frenkel缺陷所需的能量。由于u1

5、率）.2：间隙原子每跳一步所需等待的时间.20：间隙原子的振动周期.杂质原子当晶体中的杂质以原子状态在晶体中存在时,也会引起晶格周期性的破坏,形成点缺陷，称为杂质原子.替位式杂质（代位式杂质）.填隙式杂质.缺位式杂质.K＋Cl－K＋Cl－K＋Cl－K＋Cl－K＋Cl－K＋Cl－K＋Cl－K＋Cl－K＋Cl－K＋Cl－K＋Cl－K＋Cl－K＋Cl－K＋Cl－K＋Cl－Ca2＋色心色心是一种非化学计量比引起的空位缺陷。该空位能够吸收可见光使原来透明的晶体出现颜色，因而称它们为色心,最简单的色心是F心。如将N

6、aCl晶体放在Na金属蒸气中加热，再骤冷至室温，就可在NaCl晶体中产生色心Cl－Na＋Cl－Na＋Cl－Na＋Na＋Cl－Na＋Na＋Cl－Cl－Na＋Cl－Na＋Cl－Na＋Na＋Cl－Cl－Na＋Cl－Cl－Na＋Cl－Na＋Cl－Na＋-eNa＋用X射线或射线辐照、用中子或电子轰击晶体,也可在晶体中产生色心。极化子当一个电子被引入到一个完整的晶体中时，会使得原来的周期性势场发生局部的畸变，这也构成一种点缺陷。这个电子吸引邻近的正离子，使之内移；又排斥邻近的负离子，使之外移，从而产生极化。离子的这种

7、位移极化所产生的库仑引力趋于阻止电子从这区域逃出去，即电子所在处出现了趋于束缚这电子的势阱。这种束缚作用称为电子的自陷作用，相应的电子束缚态称为自陷态。与杂质引进的局部能态不同，自陷态永远追随着电子从晶格中一处移到另一处，没有固定不动的中心。这样一个携带着晶格畸变的电子，称为极化子。返回5.2晶体中原子的扩散扩散的宏观规律扩散的微观机制晶体中原子扩散的本质是原子无规的布朗运动。宏观扩散规律——Fick第一定律D：扩散系数负号表示扩散方向与浓度梯度方向相反，即扩散　总是从浓度高的地方向浓度低的地方扩散。扩散过程

8、必须满足连续性方程：若扩散系数与浓度无关，有：——Fick第二定律方程的解与初始条件和边界条件有关。１）恒定源扩散0xN{初始条件：0xx>约束条件：2）保持表面浓度不变初始条件和边界条件分别为：{n(x,0)=0,x>0n(0,t)=n0,t0解为：——误差函数（概率积分）3)扩散系数与温度的关系扩散系数与温度有密切关系，温度越高，扩散就越快。实验发现，若温度变化范围不太宽，那么，扩散