晶格振动和晶体的热学性质.doc

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1、第四章晶体中的缺陷前面各章的内容，大都是以晶体具有完美的周期性结构为基础。然而，实际的晶体总是存在缺陷的。这里所说的缺陷是指晶体中原子的排列偏离完整晶体的周期性排列的区域。这些区域可能只有晶格常数的数量级那么大，例如杂质、空位等点缺陷；也可能大到能用肉眼观察的程度，如晶体的表面。这里只简要地介绍几种最简单的微观缺陷。晶体缺陷亦称为晶体的不完整性。晶体缺陷按缺陷的几何尺寸可分为点缺陷，如空位、间隙原子；线缺陷，如位错；及面缺陷，如晶粒间界和堆垛层错等。晶体中形形色色的缺陷，影响着晶体的力学、热学、电学、光学等方面的性质。因此，在实际工作中，人们一方面尽量减少

2、晶体中的有害的缺陷，另一方面却利用缺陷而制造人们需要的材料。例如：在半导体中有控制地掺入杂质就能制成P-N结、晶体管等。又如红宝石是制造激光器的材料，它是由白宝石（三氧化二铝）的粉末在烧结过程中有控制地掺入少量粉末，用铬离子替代了少数铝离子而制成的。所以，对晶体中缺陷的研究是十分重要的。固体物理学正是在研究了理想晶体的基础上，逐渐深入研究各种缺陷及其对晶体性能的影响而发展起来的。本章主要介绍晶体缺陷的类型，热缺陷的数目统计，晶体中原子的扩散，离子性导电等。[本章重点]晶体内的各种缺陷，空位及间隙原子的热平衡统计，位错，色心，离子性电导。§4-1晶体中缺陷的

3、基本类型按晶体中缺陷的几何尺寸可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷。一、点缺陷晶格中的填隙原子、空位、俘获电子的空位、杂质原子等，称为点缺陷。这些缺陷约占一个原子的尺寸，引起晶格周期性在一到几个原胞范围内发生紊乱。（1）肖脱基缺陷某格点上的原子，由于热起伏，而离开原来格点的位置，而跑到晶体的表面，则在其原来的位置会留下一个空位。这种点缺陷称为肖脱基缺陷。肖脱然缺陷产生时，伴随表面原子的增多，所以肖脱基缺陷数目较多时，晶体的质量密度会有所减小。（2）夫仑克尔缺陷正常格点的原子，无时无刻不在作围绕平衡点的振动。由于存在热振动的涨落，振幅大的原子就会摆脱平衡位置而进入原

4、子间隙位置。这种由一个正常原子同时产生一个间隙原子和一个空位的缺陷称为夫仑克尔缺陷，如图4-1-1所示。可见仑克尔缺陷是成对产生的。空位和间隙原子是原子的热振动引起的，所以空位和间隙原子称为热缺陷。形成间隙原子时，原子挤入间隙位置所需的能量比产生肖脱基空位所需能量要大，一般说来，当温度不太高时，肖脱基缺陷的数目要比仑克尔缺陷的数目大得多。图4-1-1晶体中的点缺陷（a）夫仑克尔缺陷（b）肖脱基缺陷（3）替位式杂质原子在晶体生长、半导体材料及电子陶瓷材料制备中，常常有目的地加入少量的杂质原子，让其形成替位式杂质。例如当在铁电陶瓷中加入La，Nd，Bi等“软性

5、”添加物，这些原子占据Pb的位置，能够提高该铁电材料的介电常数，降低该材料的机械品质因数；当添加Fe、Co、Mn等“硬性”添加物后，这些原子占据Zr或Ti的格点，能显著提高该铁电材料的机械品质因数。（4）色心离子晶体中的点缺陷可以引起可见光的吸收，使原来透明的晶体出现颜色，这类能吸收可见光的点缺陷通常称为色心。最简单的色心是F心，这个名称来自德语“Farbe”一词，意思为颜色。将卤化碱晶体在碱金属蒸汽中加热，然后冷却至室外温，晶体就出现颜色。例如，NaCl在Na蒸气中加热后晶体变成黄色，KCl晶体在K蒸气中加热后变成紫色等。称这些晶体的吸收谱在可见光区域出

6、现的吸收带称为F带。卤化碱晶体在碱金属蒸气中加热然后冷却的过程中，金属原子扩散进入晶体以一价正离子的形式占据正常晶格位置，并多余一个电子。同时，由于晶体中碱金属的成分过多破坏了原来的成分比例，在晶格中造成负离子空位，这可以从晶体密度比纯晶体低的事实得到证实。负离子空位是一个带正电的缺陷，将吸收多余的电子以保持电中性，F心就是一个负离子空位和一个被它所束缚的电子所组成的体系。如果将卤化碱晶体在卤族元素蒸气中进行热处理，则会造成卤素过剩，在晶体中出现正离子空位。正离子空位可以盾成是一个带负电的中心，而卤素原子进入晶格位置后成为负离子时所缺少的电子是从近邻的离子

7、上获得的，从而在近邻的离子上出现电子“空穴”。这种电子空穴可以在晶体中移动，它等价于一种带正电的粒子。这样，一个负电中心束缚一个电子空穴所构成的体系，称为V心。V心的存在使晶体出现新的吸收带，称为V带，其频率比F带高，一般出现在紫外区域。除最简单的F心和V心外，由两个或几个点缺陷的聚集还可以形成更复杂的色心。例如，由两个F心合并，即两个相邻的负离子空位束缚两个电子，或者两个相邻的正离子空位束缚两个电子空位，即两个V心合并，等等。二、线缺陷沿一平面，晶体的一部分相对于另一部分发生滑移，在滑移部分与未滑移部分的交界处，晶格容易发生错位，这种线缺陷称为位错。典型

8、的位错有两种：刃位错和螺位错。1、刃位错如图4-1-2所示，（a）