實(shí)際晶體缺陷類型及其特征

1、學(xué)校代碼： 10128學(xué) 號(hào)： 0科研訓(xùn)練報(bào)告題 目： 實(shí)際晶體中的缺陷分類及其特征學(xué)生姓名： 劉國(guó)進(jìn)學(xué) 院： 理學(xué)院班 級(jí)： 電科10-1指導(dǎo)教師： 哈斯花 2013年 9 月 9 日一、國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展及研究意義1.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài) 20世紀(jì)初，X射線衍射方法的應(yīng)用為金屬研究開辟了新天地，使我們的認(rèn)識(shí)深入到原子的水平；到30年代中期，泰勒與伯格斯等奠定了晶體位錯(cuò)理論的基礎(chǔ)；50年代以后，電子顯微鏡的使用將顯微組織和晶體結(jié)構(gòu)之間的空白區(qū)域填補(bǔ)了起來，成為研究晶體缺陷和探明金屬實(shí)際結(jié)構(gòu)的主要手段，位錯(cuò)得到有力的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)證實(shí)；隨即開展了大量的研究工作，澄清了金屬塑性形變的微觀機(jī)制和強(qiáng)化

2、效應(yīng)的物理本質(zhì)。1.2 研究意義在晶體的生長(zhǎng)及形成過程中，由于溫度、壓力、介質(zhì)組分濃度等外界環(huán)境中各種復(fù)雜因素變化及質(zhì)點(diǎn)熱運(yùn)動(dòng)或受應(yīng)力作用等其他條件的不同程度的影響會(huì)使粒子的排列并不完整和規(guī)則，可能存在空位、間隙粒子、位錯(cuò)、鑲嵌結(jié)構(gòu)等而偏離完整周期性點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，形成偏離理想晶體結(jié)構(gòu)的區(qū)域，我們稱這樣的區(qū)域?yàn)榫w缺陷，它們可以在晶格內(nèi)遷移，以至消失，同時(shí)也可產(chǎn)生新的晶體缺陷。本文就晶體中所存在的各類缺陷做了詳細(xì)說明，并且重點(diǎn)介紹了各類缺陷的成因及其特征。1.3 主要參考文獻(xiàn)1 黃昆 原著,韓汝琦 固體物理學(xué)M 出版社:高等教育出版社 ISBN:512 百度文庫(kù) 晶體缺陷 http:/wenku.b

3、/view/5728ebb90d6c85c730.html二、研究?jī)?nèi)容及方案2.1 研究?jī)?nèi)容 按照晶體缺陷的幾何形態(tài)以及相對(duì)于晶體的尺寸，或其影響范圍的大小，可將其分為以下幾類： 1.點(diǎn)缺陷(point defects) 其特征是三個(gè)方向的尺寸都很小，不超過幾個(gè)原子間距。如：空位(vacancy)、間隙原子(interstitial atom)和置換原子(substitutional atom)。除此以外，還有空位，間隙原子以及這幾類缺陷的復(fù)合體等均屬于這一類。這里所說的間隙原子是指應(yīng)占據(jù)正常陣點(diǎn)的原子跑到點(diǎn)陣間隙中。 2.線缺陷（linear defects) 其特征是缺陷在

4、兩個(gè)方向上尺寸很?。ㄅc點(diǎn)缺陷相似），而第三方向上的尺寸卻很大，甚者可以貫穿整個(gè)晶體，屬于這一類的主要是位錯(cuò)(dislocation)。 3.面缺陷(interfacial defects) 其特征是缺陷在一個(gè)方向上的尺寸很小（同點(diǎn)缺陷），而其余兩個(gè)方向上的尺寸很大。晶體的外表面(external surfaces)及各種內(nèi)界面如：一般晶界(grain boundaries)、孿晶界(twin boundaries)、亞晶界（sub-boundaries）、相界(phase boundaries)及層錯(cuò)(stacking faults)等均屬于這一類。2.2 研究方案 由于資源有限，本次研究選用

5、了文獻(xiàn)研究法及廣泛收集、查閱與本課題相關(guān)的文獻(xiàn)資料，學(xué)習(xí)和研究相關(guān)的固體物理學(xué)理論和先進(jìn)的科研結(jié)果，為課題研究提供方法論。經(jīng)過歸納整理、分析鑒別，對(duì)一定時(shí)期內(nèi)晶體學(xué)科或?qū)ｎ}的研究成果和進(jìn)展進(jìn)行系統(tǒng)、全面的敘述和評(píng)論，并對(duì)之進(jìn)行詳細(xì)有序的總結(jié)概括。三、研究計(jì)劃第一步，確定綜述的選題。（1周-2周）第二步，收集相關(guān)的文獻(xiàn)資料。（3周-5周）第三步，整理文獻(xiàn)。（5周-8周）第四步，撰寫綜述初稿（9周-12周）第五步，修改綜述初稿，并完成文獻(xiàn)綜述。（13周）四、預(yù)期研究結(jié)果晶體缺陷的分類及其特點(diǎn)晶體結(jié)構(gòu)缺陷的種類繁多，有的是晶格畸變，有的是品格中雜質(zhì)或摻質(zhì)原子缺陷，有的涉及到品體組成的非化學(xué)計(jì)量比，有

6、的對(duì)應(yīng)于電磁結(jié)構(gòu)中有序的躍遷等。人們按照晶體結(jié)構(gòu)缺陷在三維空間延伸的線度，把它們分為點(diǎn)、線、面、體等四類結(jié)構(gòu)缺陷。1 點(diǎn)缺陷晶體中的一些原子被外界原子所代替，或者留有原子空位等，這些變化破壞了晶體規(guī)則的點(diǎn)陣周期性排列，并引起質(zhì)點(diǎn)間勢(shì)場(chǎng)的畸變，這樣造成的晶體結(jié)構(gòu)不完整性僅僅局限在某些位置，只影響臨近的幾個(gè)原子，在三維空間方向上的尺度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于晶體或晶粒的尺度，所以稱為點(diǎn)缺陷，點(diǎn)缺陷參與晶體中的質(zhì)量輸運(yùn)與電荷輸運(yùn)過程, 它對(duì)晶體結(jié)構(gòu)敏感性能有時(shí)起到?jīng)Q定性的作用。點(diǎn)缺陷包括點(diǎn)陣原子空位、間隙原子、雜質(zhì)或溶質(zhì)原子以及它們組成的復(fù)雜缺陷空位團(tuán)、空位和雜質(zhì)原子復(fù)合體、色心等，具體分類如圖1.1。點(diǎn)缺陷晶格位

7、置缺陷組成缺陷固溶體電荷缺陷色心圖 1.11.1晶格位置缺陷晶格位置缺陷一般指空位和間隙原子所造成的點(diǎn)缺陷，主要是內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)偏離其平衡位置所產(chǎn)生的缺陷，由于原子的熱運(yùn)動(dòng)與溫度有關(guān)，所以這類缺陷的形成主要受溫度影響，也稱為熱缺陷，屬于本征缺陷。原子離開平衡位置后，或者進(jìn)入間隙，或者遷移至晶體表面正常格點(diǎn)位置，在原位置留下空位，前者稱為弗蘭克爾缺陷，其特點(diǎn)是空位和間隙原子同時(shí)產(chǎn)生，晶體密度保持不變；后者稱為肖特基缺陷，特點(diǎn)是保持離子晶體的電中性，正離子空位和負(fù)離子空位同時(shí)產(chǎn)生，晶體體積增大。點(diǎn)缺陷，原子偏離正常的平衡位置，發(fā)生微量位移，破壞了原子排列的規(guī)律性，造成晶格畸變，使電子在傳導(dǎo)時(shí)散射增加

8、，從而增加了電阻，空位的存在還使晶體密度下降，體積增大，高溫下大量空位存在與運(yùn)動(dòng)使晶體發(fā)生蠕變。高溫快速冷卻保留的或經(jīng)輻照處理后的大量空位還可能形成空位片，或者與其他晶體缺陷發(fā)生交互作用，提高材料的強(qiáng)度，但相對(duì)的韌性下降?？瘴缓烷g隙原子的運(yùn)動(dòng)是晶體內(nèi)原子擴(kuò)散的內(nèi)部原因，而擴(kuò)散又是燒結(jié)等加工工藝過程的基礎(chǔ)。1.2 組成缺陷組成缺陷主要是指雜質(zhì)原子進(jìn)入晶體所產(chǎn)生的一類晶體缺陷，這類缺陷不僅破壞了晶體的規(guī)則空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)排列，還會(huì)引起雜質(zhì)原子周圍的周期勢(shì)場(chǎng)的變化。雜質(zhì)原子主要分為置換（替代）雜質(zhì)原子和間隙雜質(zhì)原子兩種，雜質(zhì)缺陷的濃度與溫度無關(guān)，主要取決于溶解度和摻雜量，屬于非本征缺陷。一般雜質(zhì)原子的含

9、量都小于1%，但此含量界限不是必然的，不同晶體和摻入雜質(zhì)均有所區(qū)別。某些雜質(zhì)進(jìn)入主晶格，能在很大的組成范圍內(nèi)“互溶”而不出現(xiàn)新的結(jié)構(gòu)，這樣的現(xiàn)象特別稱為固溶體（具體分類如圖1.2），固溶體是一種特殊的雜質(zhì)缺陷結(jié)構(gòu)，同時(shí)也是類質(zhì)同像所形成的的混晶結(jié)構(gòu)的反映，類質(zhì)同像混合晶體可以看成具有極近似晶胞結(jié)構(gòu)和晶胞化學(xué)的一系列晶胞整齊元序的堆垛。如橄欖石(Mg，F(xiàn)e)2SiO4，可以看成Mg2SiO4和 Fe2SiO4 晶胞按一定比例整齊無序的堆垛。由于替代與被替代的質(zhì)點(diǎn)（原子、離子、絡(luò)陰離子或分子）具有極為近似的化學(xué)性質(zhì)，質(zhì)點(diǎn)的替代可在一定范圍進(jìn)行，這種替代不會(huì)引起化學(xué)鍵性和晶體結(jié)構(gòu)形式發(fā)生質(zhì)的變化。自

10、然界礦物中結(jié)晶時(shí)，其晶體結(jié)構(gòu)中廣泛存在離子或離子團(tuán)之間的置換，即一種位置被兩種或兩種以上的不同元素（或基團(tuán)）置換，從而形成一種混晶的礦物結(jié)構(gòu)，稱為替位式固溶體，這種替位式固溶體成為點(diǎn)缺陷中組成缺陷里的特殊情況，只是替代量往往大于1%。固溶體（雜質(zhì)原子在主晶格的位置）填隙型固溶體替位型固溶體有序固溶體無序固溶體缺位固溶體圖 1.21.3 電荷缺陷電荷缺陷也稱為非化學(xué)計(jì)量結(jié)構(gòu)缺陷，存在于非化學(xué)計(jì)量化合物中，由于熱能和其他能量傳遞激發(fā)電子躍遷，產(chǎn)生空穴和電子形成附加電場(chǎng)引起周期勢(shì)場(chǎng)的畸變，造成晶體的不完整性。非化學(xué)計(jì)量結(jié)構(gòu)缺陷的形成需要在化合物中或摻入或有多價(jià)態(tài)元素組分，如過渡金屬氧化物。當(dāng)環(huán)境中的

11、氣氛和分壓改變時(shí)，引起化合物的組成偏離化學(xué)計(jì)量關(guān)系，形成電荷缺陷。如在還原氣氛中形成的TiO2-x，晶體機(jī)構(gòu)中缺少氧離子，只有部分鈦離子從四價(jià)變成三價(jià)才可保持電中性。當(dāng)高價(jià)或低價(jià)的雜質(zhì)原子代替晶體中空間點(diǎn)陣中固有的原子，不僅形成了組成缺陷，而且也造成電荷缺陷。例如，純硅中摻入磷和硼，從能量理論分析，磷比硅多了一個(gè)電子，因此磷在禁帶中產(chǎn)生施價(jià)帶主能，易使導(dǎo)帶中產(chǎn)生電子缺陷。在半導(dǎo)體氧化物晶體中，非化學(xué)計(jì)量結(jié)構(gòu)缺陷使晶體的導(dǎo)帶中出現(xiàn)電子或價(jià)帶中出現(xiàn)空穴，生成n型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體。電荷缺陷的形成不同于點(diǎn)缺陷和組成缺陷的形成，他需要?dú)夥蘸蛪毫ζx熱力學(xué)平衡狀態(tài)。1.4色心色心，由透明晶體中點(diǎn)缺陷、點(diǎn)

12、缺陷對(duì)或點(diǎn)缺陷群捕獲電子或空穴而構(gòu)成的一種缺陷，主要有捕獲電子負(fù)離子空位形成的F色心和正離子空位缺陷捕獲空位形成的V色心，通常產(chǎn)生于堿金屬鹵化物、堿土金屬氟化物和部分金屬氧化物中，如電氣石、天河石、方鈉石、石英等晶體顏色產(chǎn)生機(jī)理都可以用色心理論加以解釋。2 線缺陷線缺陷指二維尺度很小而第三為尺度很大的缺陷，其特點(diǎn)是兩個(gè)方向上的尺寸很小而另外一個(gè)方向延伸較長(zhǎng)，也稱一維缺陷，可被電鏡觀察到，當(dāng)今研究最多的是位錯(cuò)。位錯(cuò)理論是晶體結(jié)構(gòu)缺陷研究的核心，位錯(cuò)的存在不僅影響到晶體的力學(xué)性質(zhì)，而且也影響到晶體的一系列宏觀物理性質(zhì)，如晶體的強(qiáng)度和斷裂等。實(shí)際晶體在結(jié)晶時(shí)，受到溫度、壓力、濃度及雜質(zhì)元素的影響，或

13、由于晶體受到打擊、切削、研磨、擠壓、扭動(dòng)等機(jī)械應(yīng)力的作用，使晶體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)排列變形，原子行列間相互滑移，使晶體某處一列或若干列原子發(fā)生了有規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象，錯(cuò)排區(qū)是管狀畸變區(qū)域即晶體中兩個(gè)尺度較小、一個(gè)尺度較大的原子位置錯(cuò)排區(qū)，我們稱為位錯(cuò)。晶體中位錯(cuò)的基本類型分為為刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)（其基本原子組態(tài)如圖2.1），實(shí)際上位錯(cuò)往往是兩種類型的混合，稱為混合位錯(cuò)。螺型位錯(cuò) 刃型位錯(cuò)圖 2.1由于某種原因，晶體的一部分相對(duì)于另一部分出現(xiàn)一個(gè)多余的半原子面，這個(gè)多余的半原子面有如切入晶體的刀片，刀片的刃口線即為位錯(cuò)線，這種缺陷稱為刃型位錯(cuò)，半原子面在上面的稱正刃型位錯(cuò)，半原子面在下面的稱負(fù)刃型位錯(cuò)；晶體的

14、某一部分相對(duì)于其余部分發(fā)生滑移，原子平面沿著一根軸線盤旋上升，每繞軸線一周，原子面上升一個(gè)晶面間距，在中央軸線處即為螺型位錯(cuò)。3 面缺陷晶體常常被一些界面分隔成許多小的疇區(qū)，疇區(qū)內(nèi)具有較高的原子排列完整性，疇區(qū)之間的和界面附近存在著較嚴(yán)重的原子錯(cuò)排，此類缺陷發(fā)生于整個(gè)界面，稱為面缺陷，它在一維尺寸小，在另二維尺寸大，可被光學(xué)顯微鏡觀察到，功能多品陶瓷的性能主要取決于面缺陷。通常，按照界面兩側(cè)的晶體結(jié)構(gòu)關(guān)系將面缺陷分為以下三類：晶界、孿晶界面及平移界面。3.1 晶界晶體結(jié)構(gòu)相同位向不同的晶粒之間的界面稱為晶粒間界，簡(jiǎn)稱晶界。在晶粒內(nèi)部可以觀察到直徑在10-100um大小的晶塊，這些晶塊之間的內(nèi)界

15、面就稱為亞晶粒間界，簡(jiǎn)稱亞晶界，亞晶界主要是由位錯(cuò)組成。當(dāng)晶界兩側(cè)的晶粒位相差很小時(shí)，晶界基本上是由位錯(cuò)組成，這樣的界面稱為小角度晶界，較簡(jiǎn)單的情況是對(duì)稱傾斜晶界，即晶界兩側(cè)的晶粒相對(duì)于晶界對(duì)稱地傾斜了一個(gè)小角度，主要是晶體在生長(zhǎng)過程中受熱或機(jī)械應(yīng)力或表面張力作用，位錯(cuò)在交互作用力驅(qū)動(dòng)下相互作用并重新排列而形成一種低能結(jié)構(gòu)?；旧纤械男〗嵌染Ы缍际怯晌诲e(cuò)組成，晶界上的位錯(cuò)密度隨位相差的增大而增大。當(dāng)晶粒間的位相差增大到一定程度后，位錯(cuò)就難以協(xié)調(diào)相鄰晶粒之間的位相差，形成結(jié)構(gòu)筆記哦啊復(fù)雜的大角度晶界。3.2 孿晶界面兩個(gè)或兩個(gè)以上的同種晶體，彼此之間的層錯(cuò)按一定的對(duì)稱關(guān)系相互聯(lián)系而形成的復(fù)合晶

16、體就叫作孿晶。晶體的成核階段或者其後的成長(zhǎng)階段中形成原生孿晶，即質(zhì)點(diǎn)在某個(gè)方向上中斷了按原先的晶格位置所進(jìn)行的堆積，改變?yōu)榘磁c之成孿晶關(guān)系的晶格方位進(jìn)行堆積的結(jié)果，但這種改變并不導(dǎo)致鍵的破壞和晶體內(nèi)能的明顯增大；由高溫變體經(jīng)同質(zhì)多象轉(zhuǎn)變而變?yōu)閷?duì)稱程度較低的低溫變體時(shí)所產(chǎn)生轉(zhuǎn)變孿晶；在晶體形成之后受機(jī)械應(yīng)力的作用，在部分晶格中的一連串相鄰面網(wǎng)間同時(shí)發(fā)生均勻滑移的范性形變，使滑移部分與未滑移部分的晶格間形成孿晶關(guān)系變成滑移孿晶；某些金屬退火再結(jié)晶時(shí)，通過質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散和晶間界面的變化，容易產(chǎn)生孿晶接合面取代一般的晶間界面而形成退火孿晶。3.3 平移界面界面兩側(cè)晶體以某一特征的非點(diǎn)陣平移相聯(lián)系的稱為平移界面，包括堆垛層錯(cuò)、反向疇界和結(jié)晶切變面，其中，結(jié)晶切變面可以概括的理解為一種特殊的反向疇界，關(guān)于這三類平移界面的特點(diǎn)具體見下表。堆垛層錯(cuò)晶體密排面按正常順序堆垛時(shí)引入反常順序堆垛所形成的面缺陷，具有較低的界面能量反向疇界有序固溶體合金中有序疇間的界面，與有序超結(jié)構(gòu)的非點(diǎn)陣平移相關(guān)，使界面兩側(cè)近鄰原子對(duì)的性質(zhì)與正常有序態(tài)不同，但無明顯點(diǎn)陣畸變，但會(huì)造成局域的組分變化結(jié)晶切變面非化學(xué)配比的化合物晶體中的反向疇界4 體缺陷體缺陷是由熱運(yùn)動(dòng)造成的一種半微觀缺陷，它對(duì)晶體的宏觀物理性能往往帶來有害的影響。在三維尺寸較大，如鑲嵌塊，沉淀相，空洞，氣泡等。本科生科研訓(xùn)練綜合成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)表學(xué)生姓名 劉國(guó)