晶体缺陷说课材料.ppt

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1、晶体缺陷结构缺陷的主要类型2.1点缺陷2.1.1点缺陷的类型：(1)根据点缺陷对理想晶格偏离的几何位置及成分来划分，可分为三类：空位，填隙原子，杂质原子(2)根据产生缺陷的原因，也可以把点缺陷分为下列三种类型：热缺陷，杂质缺陷，非化学计量结构缺陷点缺陷——指那些对晶体结构的干扰仅波及几个原子间距范围的晶体缺陷空位正常结点没有被原子或离子所占据，成为空结点——空位取代原子——一种晶体格点上占据的是另一种原子错位原子：A（B）原子占据了B（A）格点位置杂质原子：外来原子占据在A（B）格点上填隙原子在理想晶体中原子不应占有的那些位置——填隙（间隙）位置处于填隙（间隙）位置上的原子——填隙（间

2、隙）原子取代原子/杂质原子外来原子进入晶格就成为晶体中的杂质也是一类基本的点缺陷，由于它们改变了晶体的化学成分，因而被称为化学点缺陷取代原子——杂质原子取代原来晶格中的原子而进入正常结点的位置间隙式杂质原子——杂质原子进入间隙位置错位原子——在AB化合物中，A原子占据B格点位置，或B原子占据A格点位置热缺陷热缺陷——当晶体的温度高于绝对0K时，由于晶格内原子热振动，使一部分能量较大的原子离开平衡位置造成的缺陷热缺陷有两种基本形式：弗伦克尔（Frenker）缺陷肖特基（Schottky）缺陷弗伦克尔（Frenkel）缺陷弗伦克尔缺陷——在晶格振动时，一些能量足够大的原子离开平衡位置后，挤

3、到晶格点的间隙中，形成间隙原子，而原来位置上形成空位。如果晶体产生弗伦克尔缺陷，间隙原子与空格点是成对产生的，晶体的体积不发生改变。肖特基（Schottky）缺陷离子晶体生成肖特基缺陷时，为了保持晶体电中性，正离子空位和负离子空位是同时成对产生的同时伴随晶体体积的增加，这是肖特基缺陷的特点。肖特基缺陷——如果正常格格点上的原子，在热起伏过程中获得能量离开平衡位置迁移到晶体的表面，在晶体内正常格点上留下空位。杂质原子外来原子进入晶格就成为晶体中的杂质。这种杂质原子可以取代原来晶格中的原子而进入正常结点的位置，这称为取代原子。也可以进入本来就没有原子的间隙位置，生成间隙式杂质原子。杂质进入

4、晶体可以看作是一个溶解的过程，杂质为溶质，原晶体为溶剂，这种溶解了杂质原子的晶体称为固体溶液（简称固溶体）。杂质缺陷杂质缺陷——由于外来原子进入晶体而产生的缺陷杂质原子（掺杂原子）其量一般小于0.1%，进入晶体后，因杂质原子和原有的原子性质不同，故它不仅破坏了原子有规则的排列，且在杂质原子周围的周期势场引起改变，因此形成一种缺陷。杂质原子又可分为间隙杂质原子及置换杂质原子两种。前者是杂质原子进入固有原子点阵的间隙中；后者是杂质原子替代了固有原子。晶体中杂质原子含量在未超过其固溶度时，杂质缺陷的浓度与温度无关，这与热缺陷是不同的。非化学计量结构缺陷/电荷缺陷非化学计量缺陷——一些化合物，

5、它们的化学组成会明显地随着周围气氛的性质和压力的大小的变化而发生组成偏离化学计量的现象。非化学计量缺陷是生成n型或p型半导体的重要基础。[例]TiO2晶体非化学计量结构缺陷/电荷缺陷这样虽然未破坏原子排列的周期性，但由于空穴和电子带正和负电荷，因此在它们周围形成了一个附加电场，引起周期性势场的畸变，造成晶体的不完整性，称电荷缺陷。从能带理论来看，非金属固体具有价带、禁带或导带。当在0K时，导带全部空着，价带全部被电子填满。由于热能作用或其它能量传递过程，价带中电子得到能量而被激发到导带中，此时在价带留一空穴，在导带中存在一个电子（图A）。2.1.2缺陷化学从理论上定性定量地把材料中的点

6、缺陷看作化学实物，并用化学热力学的原理来研究缺陷的产生、平衡及其浓度等问题的一门学科称为缺陷化学。缺陷化学所研究的对象主要是晶体缺陷中的点缺陷，而且仅在点缺陷的浓度不超过某一临界值（约为0.1atm%左右）为限。这是因为缺陷浓度过高，会导致复合缺陷和缺陷族的生成，以致形成超结构和分离的中间相，这就超出点缺陷的范围。实际上在大多数氧化物、硫化物和卤化物中，即使在高温下点缺陷浓度也不会超出上述临界限度，所以点缺陷理论仍然是解释固体的许多物理化学性质的重要基础。点缺陷的缺陷化学符号Kroger-Vink符号系统点缺陷既然看作为化学实物，点缺陷之间会发生一系到类似化学反应的缺陷化学反应。在缺陷

7、化学中为了讨论方便起见为各种点缺陷规定了一套符号。用一个主要符号来表明缺陷的种类，再用一个下标来表示这个缺陷的位置。缺陷的有效电荷在符号的上标表示。上标“·”表示有效正电荷；“‘”表示有效负电荷；“×”表示有效零电荷。MX离子晶体LM：杂质L处于M位置上e’：自由电子带一个有效负电荷h：空穴带一个有效正电荷：一个带电的点缺陷可与另一个带有相反符号的点缺陷相互缔合成一组或一群用VM和VX分别表示M原子空位和X原子空位，V表示缺陷类型，下标M和X