《材料科学基础》第三章 晶体结构缺陷（（上）课件.ppt

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1、第一篇结构与性质第一章晶体学基础第二章晶体结构第三章晶体结构缺陷第四章非晶态结构第二篇热力学第五章相平衡和相图第三篇动力学过程第六章固体中的扩散第七章材料中的相变第八章材料制备中的固态反应第九章材料的烧结材料科学基础FundamentalsofMaterialsScience§3.1点缺陷§3.2线缺陷§3.3面缺陷§3.4体缺陷第三章晶体结构缺陷①定义理想晶体所有质点都在自己的结点位置,质点严格按照空间点阵排列。实际晶体与理想的点阵结构发生偏离(位置、组成),存在着各种各样的结构的不完整性。晶体结构缺陷：指晶

2、体点阵结构中周期性势场的畸变。点缺陷（零维缺陷）--原子尺度的偏离.例：空位、间隙原子、杂质原子等线缺陷（一维缺陷）--原子行列的偏离.例：位错等面缺陷（二维缺陷）--表面、界面处原子排列混乱.例：表面、晶界、堆积层错、镶嵌结构等体缺陷（三维缺陷）--局部的三维空间偏离理想晶体的周期性例：异相夹杂物、孔洞、亚结构等电子缺陷按缺陷的几何形态②分类热缺陷杂质缺陷非化学计量缺陷其它原因：电荷缺陷，辐照缺陷等按缺陷产生的原因空位间隙原子小置换原子大置换原子点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称晶格畸变。使强度、

3、硬度提高，塑性、韧性下降；与材料的电学性质、光学性质有关；影响材料的高温动力学过程(扩散、相变、固相反应、烧结)；对耐腐蚀性和化学反应性能也有较大影响线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性密切相关。面缺陷的取向及分布与材料的断裂韧性有关。空位缺陷大置换原子③研究缺陷的意义海蓝宝石含Fe2+的绿柱石Be3Al2[Si6O18]GGG激光晶体掺钕钆镓石榴石(Nd:GGG)引入杂质可改变半导体的能带结构，所以杂质对半导体材料电学性能的影响十分显著。在晶体中引入杂质粒子称掺杂。PSiBSin型半导体p型半导体导带价带施主

4、能级受主能级V色心p型半导体（h•导电）F色心n型半导体（e，导电）负离子空位形成正电中心，吸引自由电子，形成F色心e，h•影响电荷缺陷正离子空位形成负电中心，吸引电子孔穴，形成V色心一、点缺陷的类型二、点缺陷化学反应表示法三、热缺陷四、固溶体（杂质缺陷）五、非化学计量化合物（非化学计量缺陷）六、点缺陷的运动（略）§3.1点缺陷（pointdefects）空位、间隙质点、杂质质点1、依据点缺陷的几何位置及成分一、点缺陷的类型热缺陷(本征缺陷):由热起伏促使原子脱离点阵位置而形成的点缺陷。缺陷浓度与温度有关。杂质

5、缺陷(组成缺陷)：由外加杂质的引入所产生的缺陷。缺陷浓度主要与掺杂量、固溶度有关。非化学计量缺陷：指组成上偏离化学中的定比定律所形成的缺陷。缺陷浓度主要与气氛性质、压力有关。2、依据点缺陷产生的原因萤石CaF2(F-空位)自清洁玻璃(TiO2-x)红宝石(含Cr3+的刚玉Al2O3)KrŎger-Vink符号：三部分组成主体——缺陷种类(空位、原子或离子)下标——缺陷位置(间隙、原子或离子)上标——有效电荷（正，负，零）MX二、点缺陷化学反应表示法1、点缺陷符号缺陷种类有效电荷缺陷位置有关缺陷符号（以MX型晶体

6、为例）①原子空位——VM和VX②间隙原子——Mi和Xｉ③错位原子——MX和XM④自由电子及电子空穴——e’和h•⑤带电缺陷——离子空位VM”和VX‥间隙离子Mi‥和Xi”置换离子CaNa•和CaZr”⑥缔合中心——电性相反的缺陷距离接近到一定程度时，在库仑力作用下会缔合成一组或一群，产生一个缔合中心，VM和VX发生缔合,记为VMVX）。方程式紫色缺陷对格点数无影响书写缺陷反应方程式必须遵守三个原则：①位置关系——在化合物MaXb中，无论是否存在缺陷，M格点数与X格点数保持正确的比例关系，即M的格点数：X格点数=

7、a:b（看下标）格点数，不是原子个数，形成缺陷时，原子数会发生变化e’、h•、Mi和Xi等不在正常格点上，对格点数的多少无影响②质量平衡——反应前后质量不变（看主体）③电荷平衡——反应式两边有效电荷相同（看上标）2、缺陷反应方程式的写法举例缺陷种类有效电荷缺陷位置以杂质缺陷为例2以负离子为基准，缺陷反应方程式为：解：以正离子为基准，缺陷反应方程式为：阳离子空位阴离子填隙例：写出CaCl2加入到KCl中的缺陷反应方程式练习：1、少量TiO2添加到Al2O3晶格内（降低烧结温度）2、少量Y2O3添加到ZrO2中（晶

8、型稳定剂）3、少量CaO加入到ZrO2晶格内（晶型稳定剂）4、少量ZrO2加入到Al2O3晶格内（相变增韧）1、少量TiO2添加到Al2O3晶格内以正离子为基准以负离子为基准2、少量Y2O3添加到ZrO2中以正离子为基准以负离子为基准3、少量CaO加入到ZrO2晶格内以正离子为基准以负离子为基准4、少量ZrO2加入到Al2O3晶格内以正离子为基准以负离子为基准三、热缺陷1、热缺陷的两种