晶体结构中的缺陷.ppt

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1、固体物理-1-第五章晶体结构中的缺陷引言晶体中缺陷的基本类型热缺陷的统计理论晶体中原子的扩散晶体的离子导电性-2-引言前面各章的内容，大都是以晶体具有完美的周期性结构为基础。然而，实际的晶体总是存在缺陷的。这里所说的缺陷是指晶体中原子的排列偏离完整晶体的周期性排列的区域。这些区域可能只有晶格常数的数量级那么大，例如杂质、空位等点缺陷；也可能大到能用肉眼观察的程度，如晶体的表面。晶体缺陷亦称为晶体的不完整性。晶体缺陷按缺陷的几何尺寸可分为点缺陷，如空位、间隙原子；线缺陷，如位错；面缺陷，如晶粒间界和堆垛层错等。晶

2、体中形形色色的缺陷，影响着晶体的力学、热学、电学、光学等方面的性质。因此，在实际工作中，人们一方面尽量减少晶体中的有害的缺陷，另一方面却利用缺陷而制造人们需要的材料。例如：在半导体中有控制地掺入杂质就能制成P-N结、晶体管等。又如红宝石是制造激光器的材料，它是由白宝石（三氧化二铝）的粉末在烧结过程中有控制地掺入少量粉末，用铬离子替代了少数铝离子而制成的。对晶体中缺陷的研究是十分重要的。固体物理学正是在研究了理想晶体的基础上，逐渐深入研究各种缺陷及其对晶体性能的影响而发展起来的。（晶体的生长、性能以及加工等无一不

3、与缺陷紧密相关。因为正是这千分之一、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。）本章主要介绍晶体缺陷的类型，热缺陷的数目统计，晶体中原子的扩散，离子性导电等。问题的提出：“金无足赤”每“k”含金量为4.166%，18k=18×4.166%=74.998%,24k=24×4.166%=99.984%对于理想晶体的各种偏离-3-晶体中缺陷的基本类型点缺陷—填隙原子、空位、杂质原子线缺陷—位错（刃型位错和螺型位错）面缺陷—表面、晶界、相界、堆垛层错体缺陷—空洞、夹

4、杂物-4--5-（一）点缺陷（PointDefect）点缺陷类型热缺陷（本征缺陷）杂质缺陷（非本征缺陷）非化学计量结构缺陷（非整比化合物）点缺陷的名称无机非金属材料中最重要也是最基本的结构缺陷是点缺陷。根据点缺陷相对于理想晶格位置的偏差状态，点缺陷具有不同的名称：填隙原子（或离子）：指原子（或离子）进入正常格点位置之间的间隙位置，成为填隙原子（离子）；空位：正常结点位置出现的原子或离子空缺；杂质原子（离子）：晶体组分以外的原子进入晶格中，即为杂质。杂质原子可以取代晶体中正常格点位置上的原子（离子），称为置换原子

5、（离子）；也可进入正常格点位置之间的间隙位置，成为填隙的杂质原子（离子）。（外来原子进入晶格）点缺陷示意图-6--7-热缺陷（本征缺陷）热缺陷（thermaldefect）b.特点：由原子热振动引起，缺陷浓度与温度有关。a.定义：当晶体温度高于绝对0K时，由于晶格内原子热振动，使一部分能量较大的原子偏离平衡位置造成缺陷。c.类型：弗仑克尔缺陷和肖特基缺陷弗仑克尔缺陷特点：空位与间隙粒子成对出现，体积不发生变化。以苏联物理学家雅科夫·弗仑克尔（ЯковФренкель）名字命名定义：正常结点上的原子（离子）跳入间

6、隙，形成间隙原子。肖特基缺陷以德国物理学家沃尔特·肖特基（WalterSchottky）的名字命名定义：正常结点上的原子离开平衡位置迁移到晶体表面，在原来位置形成空位。特点：晶体表面增加了新的原子层，晶体内部只有空位缺陷。肖特基缺陷的特点晶体体积膨胀，密度下降。热缺陷反应规律当晶体中剩余空隙比较小时，如NaCl型结构，容易形成肖特基缺陷；当剩余空隙比较大时，如CaF2型结构，易形成弗仑克尔缺陷。-8--9-外来原子进入主晶格（即原有晶体点阵）而产生的结构为杂质缺陷。点缺陷杂质原子无论进入晶格间隙的位置或取代主晶

7、格原子，都必须在晶格中随机分布，不形成特定的结构。杂质原子在主晶格中的分布可以比喻成溶质在溶剂中的分散，称之为固溶体。晶体的杂质缺陷浓度仅取决于加入到晶体中的杂质含量，而与温度无关，这是杂质缺陷形成（非本征缺陷）与热缺陷形成（本征缺陷）的重要区别。杂质缺陷在晶体生长、半导体材料及电子陶瓷材料制备中，常常有目的地加入少量的杂质原子，让其形成替位式杂质。例如当在铁电陶瓷中加入La，Nd，Bi等“软性”添加物，这些原子占据Pb的位置，能够提高该铁电材料的介电常数，降低该材料的机械品质因数；当添加Fe、Co、Mn等“硬

8、性”添加物后，这些原子占据Zr或Ti的格点，能显著提高该铁电材料的机械品质因数。-10-非化学计量结构缺陷原子或离子晶体化合物中，可以不遵守化合物的整数比或化学计量关系的准则，即同一种物质的组成可以在一定范围内变动。相应的结构称为非化学计量结构缺陷，也称为非化学计量化合物。非化学计量结构缺陷中存在的多价态元素保持了化合物的电价平衡。非化学计量结构缺陷的形成：组成中有多价态元素组分，如过