第四章晶体中的缺陷和扩散ppt课件.ppt

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1、第四章晶体中的缺陷和扩散§4.1晶格缺陷的主要类型一、点缺陷点缺陷：定域在格点附近一个或几个晶格常数范围内偏离晶格周期性的结构称为点缺陷。1.空位（Schottky缺陷）原子脱离其正常格点位置移动到晶体表面的正常格点位置，从而在原格点位置留下一个空格点，这种点缺陷称为空位。2.Frenkel缺陷原子脱离正常格点位置移动到间隙位置，形成一个空位和一个间隙原子。我们将这种空位－间隙原子对称为Frenkel缺陷。在Frenkel缺陷中，空位与间隙原子总是成对出现的。形成Frenkel缺陷时，原子从正常格点跳到格点与格点间的间隙位置，其周围原子必然

2、受到相当大的挤压。因此，从直观看，形成一个Frenkel缺陷要比形成一个空位所需的能量大些，因而也更难些。空位和Frenkel缺陷的成因都是由于晶格原子的热振动，因此这两种点缺陷也称为热缺陷。3.杂质原子当晶体中的杂质以原子状态在晶体中形成点缺陷时，称为杂质原子。如果杂质原子取代了晶体中原子所占的格点位置，称之为替位式杂质或代位式杂质；若杂质原子进入晶格中的间隙位置，称为填隙式杂质；在离子晶体中，K＋Cl－K＋Cl－K＋Cl－K＋Cl－K＋Cl－K＋Cl－K＋Cl－K＋Cl－K＋Cl－K＋Cl－K＋Cl－K＋Cl－K＋Cl－K＋Cl－K＋Cl

3、－Ca2＋若高价杂质离子取代了低价离子进入晶格后，由于要保持电中性，它可取代不止一个离子，形成缺位式杂质。4.色心在离子晶体中，还有一种特殊的点缺陷——色心。由于离子晶体中的点缺陷是带有效电荷的荷电中心，它可以束缚电子或空穴。晶体中的光吸收使中心电子或空穴激发，其吸收带落在可见光范围，因而，光吸收使原来透明的晶体出现不同的颜色，我们将与吸收带对应的吸收中心称为色心。产生色心的方法很多，如将NaCl晶体放在Na金属蒸气中加热，然后再骤冷至室温，就可使原无色的晶体变成淡黄色。此外，色心还可以通过用X射线或射线辐照、中子或电子轰击晶体来产生。二、

4、线缺陷EFAB若偏离晶格周期性的现象发生在晶体内部一条线周围，称为线缺陷。晶体中的位错是一种很重要的线缺陷。位错对晶体的许多性质都起着非常重要的影响。位错有两种基本型：刃位错和螺位错。在一般情况下，晶体中的位错往往是这两种基本型的混合。三、面缺陷如果晶格缺陷是发生在晶体中的一个面上，则称为面缺陷。常见的面缺陷有：晶粒间界、挛晶界、小角晶界和层错等。所谓层错是指晶体原子层的堆积发生错误，如在面心立方晶体（fcc）中，原子层的堆积次序为：···ABCABC···，如出现···ABCABABC···，则我们说发生了层错。此外，还有体缺陷，如：空洞、

5、气泡和包裹物等。§4.2热缺陷热缺陷时由于原子热振动的统计涨落所产生的。在一定温度下，原子热振动的平均能量总是小于把原子束缚在格点位置的能量的。但是，根据统计理论，原子热振动的能量有一定的分布，因此，在某一瞬时，总有少数原子的热振动能可以大到足以克服周围原子的束缚而离开原来的格点位置，形成Schottky空位或Frenkel缺陷。当然，在一定温度下，Schottky缺陷或Frenkel缺陷也会因复合而消失。因此，在一定温度下，晶体中热缺陷的数目会达到一个平衡分布。一、热缺陷的平衡数目由热力学可知，在等温过程中，当热缺陷数目达到平衡时，系统的自

6、由能取极小值：空位的平衡数目设晶体中原子的总数为N，在一定温度下，形成一个空位所需的能量为u1，设晶体中空位的数目为n1（N>>n1）由于晶体中出现空位，系统自由能的改变为：F＝U－TS这里，U＝n1u1，而根据统计物理：S＝kBlnW其中W为系统可能出现的微观状态数。设晶体中没有空位时，系统原有的微观状态数为W0，由于出现空位，系统的微观状态数增加W1，假设W0和W1相互独立，有W＝W0W1所以，S＝S0＋S＝kBlnW=kBlnW0+kBlnW1于是有S＝kBlnW1在N+n1个原子位置中出现n1个空位，其微观状态数为：

7、达到平衡时，利用Stirling公式，当x很大时，有：2.间隙原子的平衡数目同理，设晶体中间隙原子位置的总数为N’，形成一个间隙原子所需的能量为u2，平衡时晶体中的间隙原子数为n2（设n2<

8、1，那么，在一定温度下空位运动的频率有以下关系：由上式可以看出，空位的运动与温度有密切的依赖关系，温度越高，空位的运动就越快。有时，上式也可写成其中，1为空位每