沈阳化工大学无机材料科学基础-3-1 缺陷类型与点缺陷

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1、缺陷的含义：晶体点阵结构中周期性势场的畸变称为晶体的结构缺陷。缺陷对材料性能的影响理想晶体：质点严格按照空间点阵排列。实际晶体：存在着各种各样的结构的不完整性第二章晶体结构缺陷本章内容：晶体结构缺陷的类型点缺陷▲▲固溶体▲非化学计量氧化物线缺陷——位错面缺陷第一节晶体结构缺陷的类型几何形态：点缺陷、线缺陷、面缺陷……形成原因：热缺陷、杂质缺陷、非化学计量缺陷……分类方式：（一）按缺陷的几何形态来划分点缺陷线缺陷面缺陷体缺陷：第二相粒子团、空位团……固溶体1、点缺陷（零维缺陷）缺陷尺寸处于原子大小的数量级上，即三维方向上缺陷的尺

2、寸都很小。根据其对理想晶体偏离的几何位置及成分来分：空位填隙原子杂质原子2、线缺陷（一维缺陷）指在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列所产生的缺陷，即缺陷尺寸在一维方向较长，另外二维方向上很短。如各种位错（dislocation）。刃位错螺位错3、面缺陷（二维缺陷）在二维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列而产生的缺陷，即缺陷尺寸在二维方向上延伸，在第三维方向上很小。如晶界、表面、堆积层错、镶嵌结构等。面缺陷——晶界面缺陷－堆积层错面心立方晶体中：抽出型层错(a)、插入型层错(b)面缺陷－共格晶面面心立方晶体中{1

3、11}面反映孪晶（二）按缺陷产生的原因划分热缺陷杂质缺陷非化学计量结构缺陷其它：电荷缺陷，辐照缺陷……定义：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，也称为本征缺陷。弗仑克尔缺陷（Frenkeldefect）类型：肖特基缺陷（Schottkydefect）1.热缺陷热缺陷浓度与温度的关系：温度升高时，热缺陷浓度增加。弗仑克尔缺陷：（Frenkeldefect）特点：空位、间隙原子成对出现，晶体体积不变定义：能量足够大的质点离开正常格点后挤入晶格间隙位置，形成间隙质点，而原来

4、位置上形成空位肖特基缺陷：（Shcottkydefect）特点：原子跃迁至表面，体内留下空位；晶体体积增加；正负离子空位成比例、成对出现定义：正常格点上的质点获得能量后离开平衡位置迁移到新表面位置，而在晶体表面形成新的一层，同时在晶体内部正常格点上留下空位。2.杂质缺陷定义:是由外加杂质原子进入晶体而产生的缺陷，亦称为组成缺陷、非本征缺陷。杂质原子的含量一般少于0.1％。类型：置换式杂质原子和间隙式杂质原子特征:杂质缺陷的浓度与温度无关。只决定于溶解度杂质缺陷对材料性能的影响3.非化学计量结构缺陷定义：指组成上偏离化学计量而形

5、成的缺陷。特点：其化学组成随周围气氛的性质及其分压大小而变化，它是产生n型和p型半导体的基础，为一种半导体材料。如：n型半导体4.其它:电荷缺陷、辐照缺陷……能带理论：非金属固体电子导电：n型半导体空穴导电：p型半导体非化学计量缺陷也称电荷缺陷点缺陷的符号表征：Kroger-Vink符号缺陷反应方程式的写法热缺陷浓度的计算第二节点缺陷（一）点缺陷的符号表征：Kroger-Vink符号1.空位（vacancy）2.间隙原子（interstitial）3.错放位置（错位质点）4.置换原子（溶质原子)5.自由电子或电子空穴6.带电缺

6、陷7.缔合中心（二）缺陷反应方程式的写法对于杂质缺陷而言，缺陷反应方程式的一般式：1.写缺陷反应方程式应遵循的原则（1）位置关系（2）质量平衡（3）电中性（1）位置关系注意：在化合物MaXb中，无论是否存在缺陷，其正负离子位置数（即格点数）的之比始终是一个常数a/b，即：位置增值、表面位置（2）质量平衡注：VM不存在质量，下标M只表示缺陷位置与化学反应方程式相同，缺陷反应方程式两边的质量应该相等。（3）电中性（电荷守恒）电中性要求缺陷反应方程式两边的有效电荷数必须相等。2.缺陷反应实例例：1）写出CaF2加入NaF中的缺陷反应

7、方程式2）写出CaO加入ZrO2中的缺陷反应方程式3）写出Al2O3加入Cr2O3中的缺陷反应方程式（1）杂质（组成）缺陷反应方程式基本规律：高价正离子占据低价正离子位置时，该位置带有正电荷，为了保持电中性，会产生正离子空位或间隙负离子。低价正离子占据高价正离子位置时，该位置带有负电荷，为了保持电中性，会产生负离子空位或间隙正离子。（2）热缺陷反应方程式例：2）AgBr形成弗仑克尔缺陷1）MgO形成肖特基缺陷一般规律：当晶体中剩余空隙比较小，如NaCl型结构，容易形成肖特基缺陷；当晶体中剩余空隙比较大时，如萤石CaF2型结构等

8、，容易产生弗仑克尔缺陷。在一定温度下，热缺陷是处在不断地产生和消失的过程中，当单位时间产生和复合而消失的数目相等时，系统达到平衡，热缺陷的数目保持不变。根据质量作用定律，可以利用化学平衡方法计算热缺陷的浓度。（三）热缺陷浓度的计算1、弗仑克尔缺陷浓度的计算化学平衡方法计算热缺