《结构缺陷及固溶》PPT课件

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1、材料科学基础第五章结构缺陷及固溶体材料科学基础定义：与理想的晶体结构对比而言，晶体中质点不按严格的点阵排列，偏离了理想结构的规律周期排列，称之为晶体结构缺陷。材料科学基础结构缺陷的意义材料科学基础5.1缺陷类型与特征一般按照尺度范围分类，即按照偏离理想结构的周期性有规律排列的区域大小来分类。（1）点缺陷（2）线缺陷（3）面缺陷（4）体缺陷材料科学基础（1）点缺陷由于各种原因使晶体内部质点有规则的周期性排列遭到破坏，引起质点间势场畸变，产生晶体结构不完整性，但其尺度仅仅局限在1个或若干个原子级大小的范围内，这种缺陷就称为点缺陷。零维缺陷

2、。材料科学基础（2）线缺陷如果晶体内部质点排列的规律性在某一方向上达到一定的尺度范围遭到破坏，就称为线缺陷，也称位错。一维缺陷。材料科学基础（3）面缺陷如果晶体内部质点排列的规律性在二维方向上一定的尺度范围内遭到破坏，就称为面缺陷，有晶体表面、晶界、相界、堆垛层错等若干种，二维缺陷。材料科学基础（4）体缺陷如果晶体内部质点排列的规律性在三维空间一定的尺度范围内遭到破坏，就称为体缺陷，例如亚结构（嵌镶块）、沉淀相、层错四面体、晶粒内的气孔和第二相夹杂物等，三维缺陷。材料科学基础表5-1结构缺陷类型种类名称种类名称瞬变缺陷声子复合缺陷簇电

3、子缺陷电子切变结构电子空穴块结构点缺陷空位线缺陷位错间隙原子（或离子）面缺陷晶体表面杂质原子（或离子）晶粒间界替代原子（或离子）体缺陷气孔、异相夹杂物、亚结构缔合中心材料科学基础5.2点缺陷材料科学基础5.2.1点缺陷分类分类方法分别有按照位置、成分和产生原因等不同角度进行分类，不同分类方法可能产生重叠交叉。材料科学基础1.按照位置和成分分类空位填隙质点杂质缺陷材料科学基础1）空位：正常结点没有被原子或离子所占据，成为空结点，称为空位或空穴材料科学基础2）填隙质点：原子或离子进入晶体中正常结点之间的间隙位置，成为填隙原子（或离子）或间

4、隙原子（或离子）。从成分上看，填隙质点可以是晶体自身的质点，也可以是外来杂质的质点材料科学基础3）杂质缺陷：外来杂质质点进入晶体中就会生成杂质缺陷，从位置上看，它可以进入结点位置，也可以进入间隙位置材料科学基础2.按照缺陷产生原因分类热缺陷杂质缺陷非化学计量结构缺陷材料科学基础1）热缺陷：当晶体的温度高于0K时，由于晶格上质点热振动，使一部分能量较高的质点离开平衡位置而造成缺陷弗仑克尔缺陷（Frenkel）肖特基缺陷（Schottky）材料科学基础（1）弗仑克尔缺陷：在晶格热振动时，一些能量较大的质点离开平衡位置后，进入到间隙位置，形

5、成间隙质点，而在原来位置上形成空位材料科学基础特点：间隙质点与空位总是成对出现正离子弗仑克尔缺陷负离子弗仑克尔缺陷二者之间没有直接联系。材料科学基础影响因素：——与晶体结构有很大关系NaCl型晶体中间隙较小，不易产生弗仑克尔缺陷；萤石型结构中存在很大间隙位置，相对而言比较容易生成填隙离子。材料科学基础（2）肖特基缺陷：如果正常格点上的质点，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，而在晶体内部正常格点上留下空位材料科学基础特点：肖特基缺陷的生成需要一个像晶界、位错或者表面之类的晶格排列混乱的区域；正离子空位和负离于空位按照分

6、子式同时成对产生，伴随晶体体积增加材料科学基础产生复合浓度是温度的函数随着温度升高，缺陷浓度呈指数上升，对于某一特定材料，在—定温度下，热缺陷浓度是恒定的。动平衡材料科学基础2）杂质缺陷：由于外来质点进入晶体而产生的缺陷取代填隙材料科学基础虽然杂质掺杂量一般较小（~0.1%），进入晶体后无论位于何处，均因杂质质点和原有的质点性质不同，故它不仅破坏了质点有规则的排列，而且在杂质质点周围的周期势场引起改变，因此形成—种缺陷。材料科学基础晶体中杂质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。材料科学基础在某些情况下

7、，晶体中可溶入较大量其他物质，如制造固体氧化物燃料电池电解质材料，使用8~10%（mol）Y2O3溶入ZrO2中，Y3+置换Zr4+，形成大量氧空位缺陷，可传导氧离子，从而起到离子导电作用。材料科学基础3）非化学计量结构缺陷材料科学基础定比定律：化合物分子式一般具有固定的正负离子比，其比值不会随着外界条件而变化，此类化合物称为化学计量化合物材料科学基础一些化合物的化学组成会明显地随着周围气氛性质和压力大小的变化而发生组成偏离化学计量的现象，由此产生的晶体缺陷称为非化学计量缺陷材料科学基础生成n型或p型半导体的重要基础例：TiO2-x（

8、x=0~1），n型半导体材料科学基础5.2.2缺陷化学反应表示法材料科学基础1.缺陷表示法材料科学基础凡从理论上定性定量地把材料中的点缺陷看作化学实物，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