晶體結(jié)構(gòu)與缺陷課件 第九章 晶體缺陷

1第九章晶體缺陷

3/29/20238:56:17AM2概述

點缺陷（pointdefect）：特征是三維空間的各個方面上尺寸都很小，尺寸范圍約為一個或幾個原子尺度，又稱零維缺陷，包括空位、間隙原子、雜質(zhì)和溶質(zhì)原子。線缺陷（linedefect）：特征是在兩個方向上尺寸很小,另外一個方面上很大，又稱一維缺陷，如各類位錯。面缺陷（planardefect）：特征是在一個方面上尺寸很小,另外兩個方面上很大，又稱二維缺陷，包括表面、晶界、亞晶界、相界、孿晶界等。晶體中的缺陷——原子排列偏離完整性的區(qū)域.前面章節(jié)都是就理想狀態(tài)的完整晶體而言，即晶體中所有的原子都在各自的平衡位置，處于能量最低狀態(tài)。然而在實際晶體中原子的排列不可能這樣規(guī)則和完整，而是或多或少地存在離開理想的區(qū)域，出現(xiàn)不完整性。正如我們?nèi)粘Ｉ钪幸姷接衩装羯嫌衩琢５姆植?。通常把這種偏離完整性的區(qū)域稱為晶體缺陷（crystaldefect;crystallineimperfection)。3/29/20238:56:17AM33.1點缺陷——包括空位、間隙原子、雜質(zhì)或溶質(zhì)原子1.形成局部點陣畸變原子熱振動克服約束，遷移到新的位置空位、間隙原子部分原子獲得足夠高的能量形成引起3/29/20238:56:17AM4肖脫基(Schottky)缺陷——原子遷移到表面——僅形成空位弗蘭克(Franke)缺陷——原子遷移到間隙中—形成空位-間隙對雜質(zhì)或溶質(zhì)原子——間隙式（小原子）或置換式（大原子）2.分類3/29/20238:56:17AM5點缺陷類型13/29/20238:56:17AM6點缺陷類型23/29/20238:56:17AM83.點缺陷的平衡濃度Ne

—

平衡空位數(shù)

N—

原子總數(shù)

Ev

—

每增加一個空位的能量變化

k—

玻爾茲曼常數(shù)

T—

絕對溫度其中：A由振動熵決定的系數(shù)，取1—10，通常取1。T↑--C↑空位形成能(vacancyformationenergy):點缺陷都是由于原子的熱運動產(chǎn)生的，它們的產(chǎn)生和存在使體系的自由能發(fā)生一定的變化。遷移能(migrationenergy)：通過熱力學(xué)分析，在絕對零度以上的任何溫度，晶體中最穩(wěn)定的狀態(tài)是含有一定濃度的點缺陷的狀態(tài)，這個濃度稱為該溫度下晶體中點缺陷的平衡濃度(equilibriumconsistence)。經(jīng)熱力學(xué)推導(dǎo)：3/29/20238:56:17AM9△Ev對C的影響金屬種類

PbAlMgAuCuPtW△Ev×10-8J0.080.120.140.150.170.240.56C9.2×10-62.8×10-81.5×10-93.6×10-102.0×10-117.8×10-165.7×10-36空位形成能Ev

增加，點缺陷的平衡濃度降低關(guān)于點缺陷濃度的幾點說明:金屬中,間隙原子的形成能比空位形成能大3~4倍,間隙原子的平衡濃度比同溫度下空位的平衡濃度小得多.溫度下降很快時,高溫下形成的大量空位來不及擴(kuò)散到表面而消失,于是它們將被”凍結(jié)”在晶體內(nèi)部,這時空位濃度將大于熱平衡時的空位濃度,以空位或空位團(tuán)的形式存在于晶體中.3/29/20238:56:17AM114.點缺陷的運動

點缺陷的運動方式：

(1)空位運動。

(2)間隙原子遷移。

(3)空位和間隙原子相遇，兩缺陷同時消失。

(4)逸出晶體到表面，或移到晶界，點缺陷消失。3/29/20238:56:17AM125.點缺陷對晶體性能的影響點缺陷引起晶格畸變（distortionoflattice）,能量升高，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，易發(fā)生轉(zhuǎn)變。點缺陷的存在會引起性能的變化：

(1)物理性質(zhì)如使金屬的電阻R↑、體積V↑、密度ρ↓

等；

(2)力學(xué)性能采用高溫急冷(如淬火quenching),大量的冷變形（coldworking）,高能粒子輻照（radiation）等方法可獲得過飽和點缺陷，如使σS提高；

(3)影響固態(tài)相變,化學(xué)熱處理（chemicalheattreatment）等。3/29/20238:56:17AM133.2線缺陷

現(xiàn)象:晶體作剛性滑移所需的臨界切應(yīng)力值（1540MPa）與實際滑移測定的值（1MPa）相差巨大.疑問:理想晶體模型及其滑移方式.?位錯存在位錯理論是上個世紀(jì)材料科學(xué)最杰出的成就之一。

按照理想晶體的模型，晶體在滑移時，滑移面上各個原子在切應(yīng)力作用下，同時克服相鄰滑移面上原子的作用力前進(jìn)一個原子間距，完成這一過程所需的切應(yīng)力就相當(dāng)于晶體的理論剪切屈服強(qiáng)度，這是一個很大的數(shù)值，如Cu單晶體。3/29/20238:56:17AM14位錯逐排依次運動——塑變原子面整體滑移——塑變理論強(qiáng)度遠(yuǎn)大于實測值探求新理論——位錯理論發(fā)現(xiàn)問題促使核心計算強(qiáng)度值實測值結(jié)果位錯（dislocation）是一種線缺陷,它是晶體中某處一列或若干列原子發(fā)生了有規(guī)律錯排現(xiàn)象；錯排區(qū)是細(xì)長的管狀畸變區(qū),長度可達(dá)幾百至幾萬個原子間距,寬僅幾個原子間距.位錯理論是上個世紀(jì)材料科學(xué)最杰出的成就之一。3/29/20238:56:17AM15

刃型位錯（edgedislocation）

螺型位錯（screwdislocation）

混合位錯（mixeddislocation）1.位錯基本類型3/29/20238:56:17AM161)刃位錯形成畸變區(qū)多出（或少）半排原子面用┻（或┳）表示

刃位錯正：上壓下拉負(fù)：上拉下壓

稱為┻┻刃型位錯線：多余半原子面與滑移面的交線。3/29/20238:56:17AM17晶體局部滑移造成的刃型位錯3/29/20238:56:17AM18刃型位錯特征：①刃型位錯有一個額外的（多余）半原子面。習(xí)慣上，把多余半原子面在滑移面以上的位錯稱為正刃型位錯，用符號“┻”表示，反之為負(fù)刃型位錯，用“┳”表示。②刃型位錯是直線、折線或曲線。它與滑移方向垂直。③滑移面必須是同時包含有位錯線和滑移矢量的平面。位錯線與滑移矢量互相垂直,它們構(gòu)成平面只有一個。④晶體中存在刃位錯后,位錯周圍的點陣發(fā)生彈性畸變,既有正應(yīng)變,也有負(fù)應(yīng)變。刃型位錯周圍的點陣畸變關(guān)于半原子面左右對稱。含有多余半原子面的晶體受壓力，原子間距小于正常點陣常數(shù)；不含多余半原子面的晶體受張力，原子間距大于正常點陣常數(shù)。⑤在位錯線周圍的畸變區(qū)每個原子具有較大的平均能量?；儏^(qū)是一個狹長的管道。3/29/20238:56:17AM19原子面部分錯動一個原子間距螺位錯

不吻合過渡區(qū)形成畸變區(qū)純剪切應(yīng)力區(qū)

形成

稱作2)螺位錯612543783/29/20238:56:17AM20晶體局部滑移造成的螺型位錯3/29/20238:56:17AM21螺型位錯的特點：(1)滑移矢量平行于位錯線.(2)沒有多余的半原子面.(3)左、右旋分別用左(右)法則來判斷：令手臂沿著棱位錯指向螺位錯,把手背朝著額外的半原子面,從而向外伸開的拇指沿著螺位錯.如果用右手才能辦到,是右螺位錯;如果用左手才能辦到,是左螺位錯.(4)錯位線周圍的應(yīng)力場呈軸對稱分布

.3/29/20238:56:17AM233)混合位錯刃型位錯分量＋螺型位錯分量刃型分量:be=b

sinθ

螺型分量:bs=b

cosθ3/29/20238:56:17AM242.柏氏矢量——反映位錯區(qū)畸變的方向與程度刃型位錯柏氏矢量的求法（1）包含位錯線做一封閉回路——

柏氏回路（2）將同樣的回路置于完整晶體中——

不能閉合（3）補(bǔ)一矢量（終點指向起點）使回路閉合——

柏氏矢量12345678910111234567891011柏氏矢量的方向:首先規(guī)定位錯線的正向,一般取從紙背到紙面為位錯正向,柏氏回路的正向與位錯線正向符合右手螺旋關(guān)系.3/29/20238:56:17AM25刃位錯的柏氏回路3/29/20238:56:17AM26121234123123411111212341231234螺位錯柏氏矢量的求法

（1）包含位錯線做一封閉回路——

柏氏回路

（2）將同樣的回路置于完整晶體中——

不能閉合

（3）補(bǔ)一矢量（終點指向起點）使回路閉合——

柏氏矢量3/29/20238:56:17AM27螺型位錯的柏氏回路示意圖3/29/20238:56:17AM282）柏氏矢量特性

柏氏矢量是一個反映位錯性質(zhì)以及由位錯引起的晶格畸變大小的物理量.(1)

用柏氏矢量可以表示位錯區(qū)域晶格畸變總量的大小。柏氏矢量可表示位錯性質(zhì)和取向,即晶體滑移方向。柏氏矢量越大,位錯周圍晶體畸變越嚴(yán)重。

(2)

位錯的連續(xù)性:可以形成位錯環(huán)、連接于其他位錯、終止于晶界或露頭于表面,但不能中斷于晶體內(nèi).

(3)

柏氏矢量的唯一性。即一根位錯線具有唯一的柏氏矢量。

(4)

當(dāng)位錯與其它位錯相連,指向節(jié)點的諸位錯的柏格斯矢量之和,必然等于離開節(jié)點的諸位錯的柏格斯矢量之和.

3）柏氏矢量表示法用沿晶體主軸的分量來表示.例：3/29/20238:56:17AM294）三種位錯柏氏矢量的特點刃位錯垂直主要是正應(yīng)力螺位錯平行純剪應(yīng)力混合位錯一定角度復(fù)雜位錯類型柏氏矢量與位錯線關(guān)系畸變應(yīng)力場3/29/20238:56:17AM303.位錯密度單位體積晶體中所有位錯線的總長度穿過單位截面積的位錯線數(shù)目（穿過單位面積的位錯線根數(shù)，將位錯簡化為直線）cm/cm31/cm23/29/20238:56:17AM314.位錯運動基本形式:延伸、滑移、和攀移、增殖1)位錯的延伸位錯源:①籽晶中的位錯;②籽晶與新生長的晶體之間接觸時造成的位錯.這些位錯線會隨著晶體的生長一直延伸下去,直到它與晶體表面或其它位錯相交而終止.鍺、硅位錯線的延伸長度:與晶體生長方向和{111}晶面的夾角大小有關(guān).滑移面和滑移方向滑移最容易發(fā)生在相互作用力最小的兩個平行的晶面間,對元素半導(dǎo)體硅、鍺而言，{111}晶面是原子密排面，有最大的原子面間距，面間作用力最弱，滑移最易發(fā)生，因此，滑移面是{111}晶面?；谱钜籽刂拥拿芘欧较蜻M(jìn)行，這是由于在該方向上，有最短的滑移距離。對硅、鍺而言，原子密排方向是<100>，因此滑移方向是<100>。鍺、硅位錯線的延伸長度:與晶體生長方向和{111}晶面的夾角大小有關(guān).由于硅、鍺等晶體的滑移面為{111}，位錯線大多處在{111}面上，位錯的延伸也就在{111}面上進(jìn)行。若晶體生長方向與{111}面的最小夾角很小，則位錯線可以在晶體內(nèi)延伸很長，甚至貫串整個晶體面不與晶體表面相交。相反，若生長方向與{111}晶面的最小夾角很大，則位錯線就會很快與晶體表面相交而終止。立方晶系中若干生長方向與{111}晶面的夾角生長方向[100][110][111][311][211]生長方向與{111}的夾角35160192810010544490312928860307032為了防止位錯的延伸，在生長硅、鍺等單晶時，籽晶方向應(yīng)選擇[100]或[111]方向，[110]和[211]不適合作為生長方向。3/29/20238:56:17AM352）滑移（1）刃位錯的滑移3/29/20238:56:17AM36┻┻a）位錯逐排依次前進(jìn)，實現(xiàn)兩原子面的相對滑移；b）滑移量=柏氏矢量的模；c）外力τ

//b，位錯線⊥τ

，位錯線運動方向//τd）τ一定時，正、負(fù)位錯運動方向相反，但最終滑移效果相同；3/29/20238:56:17AM37（2）螺位錯的滑移3/29/20238:56:17AM38右螺位錯左螺位錯LLa）位錯逐排依次滑移，實現(xiàn)原子面的滑移；b）滑移量=柏氏矢量的模；c）τ

//b，位錯線//τ

，位錯線運動方向⊥τ；d）τ一定時，左、右螺位錯位錯運動方向相反，但最終滑移效果相同；3/29/20238:56:17AM39正刃負(fù)刃左螺右螺（3）混合位錯的滑移當(dāng)外力作用在晶體的上半部,與滑移矢量b方向相同時,位錯環(huán)滑移的結(jié)果是不斷擴(kuò)大.當(dāng)外力與滑移矢量方向相反時,位錯環(huán)不斷縮小。晶體的范性形變與位錯滑移:1)范性形變:晶體在外力作用下改變其形狀,而外力消失后形狀不復(fù)原的形變.2)范性形變是在外力作用下晶體中位錯滑移的結(jié)果.3)范性形變,即滑移運動和溫度有關(guān).3/29/20238:56:17AM413）攀移(climbingofdisloction)

攀移方式

原子擴(kuò)散離開（到）位錯線—半原子面縮短（伸長）—正（負(fù)）攀移

空位擴(kuò)散離開（到）位錯線—半原子面伸長（縮短）—負(fù)（正）攀移位錯的攀移:在垂直于滑移面方向上運動.攀移的實質(zhì):空位或間隙原子在刃位錯的終端處堆集或抽取,造成多余半原子面的擴(kuò)大和縮小.刃位錯的攀移過程:正攀移,向上運動；負(fù)攀移,向下運動注意：只有刃型位錯才能發(fā)生攀移；高溫影響位錯的攀移.位錯的滑移運動與攀移運動:1)不同處:性質(zhì)不同,滑移與外力作用或內(nèi)應(yīng)力有關(guān),攀移與點缺陷數(shù)目有關(guān).2)相同處:都與溫度有關(guān).4)位錯的增殖機(jī)構(gòu):弗蘭克-瑞德機(jī)構(gòu)L型平面源機(jī)構(gòu)U型平面源機(jī)構(gòu)5)晶體缺陷的觀察方法腐蝕法綴蝕法與晶體缺陷對雜質(zhì)原子的吸附效應(yīng)X射線貌相法3/29/20238:56:17AM45三、面缺陷晶界孿晶界相界小角度晶界大角度晶界外表面內(nèi)表面層錯3/29/20238:56:17AM461.小角度晶界1)類型（1）對稱傾側(cè)晶界相鄰晶粒各轉(zhuǎn)θ/2同號刃位錯平行排列（2）不對稱傾側(cè)晶界相互垂直的兩組刃位錯垂直排列在某一晶界兩邊的晶體方向有一個很小角度的差異。3/29/20238:56:17AM472)小角度晶界特點θ<10°由位錯構(gòu)成位錯密度↑——位向差↑——晶格畸變↑——晶界能↑位錯密度——決定位向差與晶界能位錯類型與排列方式——決定小角晶界的類型注：3)