固体物理 第三章_ 晶体中的缺陷

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1、第三章晶体中的缺陷(imperfection)和运动本章内容：理想的完美晶体是不存在的,实际晶体中总是存在各介绍几种基本的微观缺陷，重点介绍点缺种各样的偏离了理想晶格的情况。所谓缺陷，就是指完美晶格受到破坏的那些区域。陷。晶体内总是存在的各种各样的缺陷：晶体在尺寸上在较高温度下，固体的成分或结构的物理是有限的，因而具有边界或表面，晶格振动导致和化学变化往往是通过扩散进行的，扩散原子瞬时位置对平衡位置的偏离。它们对晶体的的过程与晶体的微观缺陷有十分密切的关性质产生十分重要的作用，特别是一般晶体中都系。本章还将

2、介绍扩散及其微观机制。存在着微观缺陷，它们可以决定性地影响晶体的基本性质。固体物理第三章固体物理第三章§3-1晶体中缺陷的类型1.热缺陷：由热起伏的原因所产生的空位和填隙原子，又叫热缺陷，它们的产生与温度直接有关按缺陷的几何形状而论，可把晶体中的缺陷分为三类，点缺陷、线缺陷和面缺陷。一、点缺陷(pointdefect)定域在格点附近一个或几个晶格常数范围内偏离晶格周期性的结构称为点缺陷，如空位，填隙原子，杂质原子。由于晶格空位和间隙原子的出现，原子间的作用力平衡被破坏，使其周围的其它原子发生移动，偏离晶体的

3、结点位置，形成晶格畸变。另外，点缺陷可使(a)肖脱基缺陷(b)弗伦克耳缺陷(c)间隙原子材料的物理性质和力学性质发生变化，如电阻率，密度等。固体物理第三章固体物理第三章（a）肖特基缺陷(vacancy)：原子脱离正常格点移动到晶体表面的正常位置，在原子格点位置对化合物半导体，除形成空位和填隙原子留下空位，称为肖特基缺陷。外，还会形成反结构缺陷。（b）弗伦克尔缺陷(Frenkeldefect)，原子脱离格离子晶体中的点缺陷是带电中心。为保持点后，形成一个间隙原子和一个空位。称为弗整体的电中性，只能是正离子空位

4、（负伦克尔缺陷。电中心）和负离子空位（正电中心）的（c）间隙原子(interstitial)：如果一个原子从正常数目必须相等。正负离子空位和正负间表面位置挤进完整晶格中的间隙位置则称为间隙原子，由于原子已经排列在各个格点上，为隙离子数目相等。了容纳间隙原子，其周围的原子必定受到相当大的挤压。固体物理第三章固体物理第三章12.杂质原子（离子）非纯净晶体中的杂质原子可以认为是点缺陷，杂质原子可以占据母体点阵中的一个正常格点（替代式杂质substitutionalimpurity），也可占据一个非正规的原子格点（

5、填隙式杂质interstitialimpurity）。为了有目地改善晶体的某种性质，常常有控制地在晶体中引起某类外来原子，形成替位式杂质。实践证明III族和V族在锗硅中形成替位式掺杂。固体物理第三章固体物理第三章3.色心(colorcenter)把碱卤晶体在碱金属的蒸气中加热，然后使之骤冷到室温，原来透明的晶体就出现了颜色，研究这些晶体的吸收光谱，发现在可见光区有一个象钟形的吸收带，把产生这个带的吸收中心叫色心（F心），增色的碱卤晶体是含碱金属过剩的晶体。F心是一个卤素负离子空位加上一个被束缚在其库仑场中的

6、电子。替位式掺杂和填隙式掺杂固体物理第三章固体物理第三章二、线缺陷(linedislocation)当晶格周期性的破坏是发生在晶体内部一条线的周围近邻，这就称为线缺陷。位错(dislocation)是一种线缺陷，位错有两种：刃位错(edgedislocation)和螺位错(screwdislocation)。它是晶体已滑移部分和未滑移部分的分界线。色心的形成原因位错在决定材料的强度上极为重要，施加在材料上单位面积的力称为应力（stress）。不导致断裂或晶面间滑移，材料能承受的最大应力称本征缺陷：热缺陷，有

7、序合金中的错位为屈服应力(yieldstress).理想晶体具有非常高的屈服应力。固体物理第三章固体物理第三章2当弹性体受到应力作用时产生的形变服从胡克定律位错的概念是1934年泰勒等人为了解释金属强度提(Hooke’slaw)。实际晶体，只有应力很小时，才表出的，显微镜观察表明，当晶体范性形变时，变现为弹性体。当应力超过一定的限度后，晶体就会形是由于一个原子平面相对于另一个原子平面的发生永久形变或断裂。在外力除去后，晶体所保留滑移产生的。下的永久形变称为范性形变(plasticdeformation)。当

8、时理论上说明滑移成为固体物理中最困难的问题晶体的这种性质称为范性。之一。因为当时人们想象使晶体变形，必须加一个切应力(shear)，其强度刚好足够使所有这个晶面从微观上考虑，在平衡状态时，组成晶体的原子，上的原子同时从它们原来所处的位置移到相距一由于受到相互平衡的作用力，所以能稳定地处于格个原子间距处的另一组等价位置。从实验上测得点位置上。当部分原子受到外力的作用时，这种相的材料的屈服应力比理论值小2~4量级，表