固体物理4章_晶体缺陷-2009.ppt

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1、第四章晶体缺陷本章主要内容：1、教学内容：点缺陷、面缺陷、体缺陷的产生及扩散。2、基本要求：掌握点缺陷；位错；面缺陷与体缺陷；缺陷的扩散等。第四章晶体缺陷完美晶体——组成晶体的所有原子或离子都排列在晶格中，没有晶格空位，也没有间隙原子或离子。其特征：1、晶格中的原子或离子都是化学分子式中的原子或离子，没有外来的杂质；2、晶体的原子之比符合化学计量比。实际晶体：与理想晶体有一些差异。如（现象）：1、处于晶体表面的原子或离子与体内的差异；2、晶体在形成时，常因一些部位同时成核生长，结果形成的不是单晶而是许多细小晶粒按不规则排列组合起来的多

2、晶体；3、在外界因素的作用下，原子或离子脱离平衡位置（如点缺陷）和杂质原子的引入等。实际晶体1有三个点缺陷的规则堆积阵2点和线缺陷3被缺陷界面分开的畴界没有孪晶4位错群5相界晶体缺陷的存在，破坏了完美晶体的有序性，引起晶体内能U和熵S的增加。按缺陷在空间的几何构型可将缺陷分为：点缺陷——缺陷的延伸范围是零维线缺陷——一维面缺陷——二维体缺陷——三维每一类缺陷都会对晶体的性能产生很大影响，例如：点缺陷——影响晶体的电学、光学和机械性能；线缺陷——严重影响晶体的强度、电性能等。点缺陷是晶体中以空位、间隙原子、杂质原子为中心，在一个或几个原

3、子尺寸范围的微观区域内，晶格结构偏离严格周期性而形成的畸变区域。它是由晶体的热振动而产生。点缺陷是晶体中最简单、最常见或者说一定存在的缺陷形式。点缺陷：在三维空间各方向上尺寸都很小，是在原子尺寸大小的晶体缺陷。§4-1点缺陷空位——在晶格结点位置应有原子的地方空缺，这种缺陷称为“空位”。间隙原子——在晶格非结点位置，往往是晶格的间隙，出现了多余的原子。它们可能是同类原子，也可能是异类原子。异类原子——在一种类型的原子组成的晶格中，不同种类的原子替换原有的原子占有其应有的位置。一、点缺陷的类型和形成能（一）点缺陷的类型（1）肖脱基（Sc

4、hottky）缺陷特征：晶体中存在着晶格空位。形成原因：这种空位是晶体内部格点上的原子或离子通过接力运动移到表面格点位置后在晶体内所留下的空位，如图4-1b。定义：只形成空位不形成间隙原子（构成新的晶面）的晶体空位称为肖脱基缺陷。（二）点缺陷的形成和形成能注意：1、负离子不能到间隙2、要求局部电中性（2）费伦克尔（Frenkel）缺陷特征：原子离开平衡位置进入间隙，形成等量的空位和间隙原子。形成原因：如果晶体内部格点上的原子或离子移到晶格间隙位置形成间隙原子，同时在原来的格点位置上留下空位，于是晶体中将存在等浓度的晶格空位和填隙原子，

5、如图a。定义：将空位-间隙原子对称为费仑克尔缺陷。（3）间隙原子缺陷(或称反肖脱基缺陷)特征：它是晶体表面格点原子运动到晶体的间隙位置，如图c。形成填隙缺陷需要更大的能量，除小半径杂质原子外，一般不易单独形成此种缺陷。小结：形成填隙原子时，原子挤入间隙位置所需要的能量比产生肖特基空位所需能量大，因此当温度不太高时，肖特基缺陷的数目要比弗仑克尔缺陷的数目大得多。点缺陷类型示意图(a)Frenkel缺陷；(b)Schottky缺陷；(c)反Schottky缺陷（4）空位的形成能定义：空位的形成能是在晶体内的格点上取出一个原子放到晶体表面所

6、需要的能量。讨论：（a）结合能越大，熔点越高，则空位的形成能越大。（b）一般化合物晶体中的点缺陷是空位，因为形成间隙原子所需的能量比形成空位的高。（c）一般共价半径大的原子具有较大的空位形成能。（三）点缺陷的表示Kroger-Vink（1960年前后）提出了一套描写点缺陷的记号，并发展了应用质量作用定律等来处理晶格缺陷间关系的缺陷化学。以MO（氧化物）为例：空位（Vacancy）VM，VO间隙原子（Interstitial）Mi，Oi错位原子MO，OM溶质原子（外来原子）LM，Li自由电子及电子空穴e,，h·带电荷的缺陷VM,,，VO

7、··缺陷方程三原则：质量守恒,电荷平衡,正负离子格点成比例增减。如：肖特基缺陷生成：0→VM,,+VO··弗仑克尔缺陷生成：0→VM,,+Mi··定义：色心是一种非化学计量比引起的空位缺陷。特征：该空位能够吸收可见光使原来透明的晶体出现颜色，因而称它们为色心,最简单的色心是F心(来自德语”Farbe”,颜色)。F心：是离子晶体中的一个负离子空位束缚一个电子构成的点缺陷。形成过程：是碱卤晶体在相应的过量碱金属蒸汽中加热，例如：NaCl晶体在Na蒸汽中加热后呈黄色；KCl晶体在K蒸汽中加热后呈紫色；LiF在Li蒸汽中加热后呈粉红色。二、色

8、心V心：与F心相对的色心，又称空穴色心。是离子晶体的负电中心束缚一个带正电的“空穴”所组成的点缺陷。形成过程：当碱卤晶体在过量的卤素蒸汽中加热后，由于大量的卤素进入晶体，为保持电中性，在晶体中出现了正离子空位,形成负电中