3材料科学基础 晶体缺陷2

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1、第三章晶体缺陷(Defectsincrystals)点缺陷位错表面及界面第三章晶体缺陷(Defectsincrystals)本章要讨论的主要问题是：(1)晶体中有哪些常见的缺陷类型？(2)缺陷的数量和类型可以被控制吗？(3)缺陷对材料的性能有何影响？(4)缺陷一定是有害的吗？一、单晶体:一块晶体材料，其内部的晶体位向完全一致时，即整个材料是一个晶体，这块晶体就称之为“单晶体”，实用材料中如半导体集成电路用的单晶硅、专门制造的金须和其他一些供研究用的材料。引言材料的实际晶体结构二、多晶体:实际应用的工程材料中，那怕是一块尺寸很小材料，绝大多数包含着许许多多的小晶体，每个小晶体

2、的内部，晶格位向是均匀一致的，而各个小晶体之间，彼此的位向却不相同。称这种由多个小晶体组成的晶体结构称之为“多晶体”。1.晶粒：多晶体材料中每个小晶体的外形多为不规则的颗粒状，通常把它们叫做“晶粒”。2.晶界：晶粒与晶粒之间的分界面叫“晶粒间界”，或简称“晶界”。为了适应两晶粒间不同晶格位向的过渡，在晶界处的原子排列总是不规则的。概述一、缺陷（Defect）的概念大多数固体是晶体，晶体正是以其特殊的构型被人们最早认识。因此目前人们理解的“固体物理”主要是指晶体。当然这也是因为客观上晶体的理论相对成熟。在晶体理论发展中，空间点阵的概念非常重要。(复习:空间点阵)空间点阵在晶体学理论

3、的发展中起到了重要作用。可以说，它是晶体学理论的基础。现代的晶体理论基于晶体具有宏观平移对称性，并因此发展了空间点阵学说。所谓平移对称性就是指对一空间点阵，任选一个最小基本单元，在空间三维方向进行平移，这个单元能够无一遗漏的完全复制所有空间格点。考虑二维实例，如图3-101所示。晶体缺陷的产生与晶体的生长条件，晶体中原子的热运动以及对晶体的加工工艺等有关。事实上，任何晶体即使在绝对零度都含有缺陷，自然界中理想晶体是不存在的。既然存在着对称性的缺陷，平移操作不能复制全部格点，那么空间点阵的概念似乎不能用到含有缺陷的晶体中，亦即晶体理论的基石不再牢固。幸运的是，缺陷的存在只是晶体中局

4、部的破坏。作为一种统计，一种近似，一种几何模型，我们仍然继承这种学说。因为缺陷存在的比例毕竟只是一个很小的量(这指的是通常的情况）。例如20℃时，Cu的空位浓度为3.8×10-17，充分退火后Fe中的位错密度为1012/m2（空位、位错都是以后要介绍的缺陷形态）。这些数量级的概念可能难以接受,只须知道这样的事实：从占有原子百分数来说，晶体中的缺陷在数量上是微不足道的。因此，整体上看，可以认为一般晶体是近乎完整的。因而对于实际晶体中存在的缺陷可以用确切的几何图形来描述，这一点非常重要。它是我们今后讨论缺陷形态的基本出发点。事实上，把晶体看成近乎完整的并不是一种凭空的假设，大量的实验

5、事实（X射线及电子衍射实验提供了足够的实验证据）都支持这种近乎理想的对称性。当然不能否认当缺陷比例过高以致于这种“完整性”无论从实验或从理论上都不复存在时，此时的固体便不能用空间点阵来描述，也不能被称之为晶体。这便是材料中的另一大类别：非晶态固体。对非晶固体和晶体，无论在原子结构理论上或是材料学家对它们完美性追求的哲学思想上都存在着很大差异，有兴趣的同学可以借助于参考书对此作进一步的理解。现在回到我们关心的内容：既然晶体已可以认为是近乎“完整的”，那么建立缺陷概念的意义何在？毫不夸张地说，缺陷是晶体理论中最重要的内容之一。晶体的生长、性能以及加工等无一不与缺陷紧密相关。因为正是这

6、千分之一、万分之一的缺陷，对晶体的性能产生了不容小视的作用。这种影响无论在微观或宏观上都具有相当的重要性。二、缺陷的分类缺陷是一种局部原子排列的破坏。按照破坏区域的几何形状，缺陷可以分为四类。(注意，这里说的是按缺陷的几何形状分类)1.点缺陷(PointDefect)　　在三维方向上尺寸都很小（远小于晶体或晶粒的线度），又称零维缺陷。典型代表有空位、间隙原子等。2.线缺陷(LineDefect)在两个方向尺寸很小，一个方向尺寸较大（可以和晶体或晶粒线度相比拟），又称为一维缺陷。位错是典型的线缺陷，是一种非常重要的缺陷，是本章重点讨论对象。3.面缺陷(PlanarDefect)在

7、一个方向尺寸很小，另两个方向尺寸较大，又称二维缺陷。如晶粒间界、晶体表面、层错等。4.体缺陷(VolumeDefect)如果在三维方向上尺度都较大，那么这种缺陷就叫体缺陷，又称三维缺陷。如沉淀相、空洞等。3.1点缺陷(最普遍、最常见的缺陷)点缺陷是在结点上或邻近的微观区域内偏离晶体结构正常排列的一种缺陷。一、点缺陷类型点缺陷的种类有很多，金属中常见的基本点缺陷有两种类型：空位和间隙原子。二、点缺陷形成的物理模型虽然从几何图象上，我们已经认识了诸如空位、间隙原子等点缺陷。那么，