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(diǎn)缺陷（pointdefect）：特征是三維空間的各個(gè)方面上尺寸都很小，尺寸范圍約為一個(gè)或幾個(gè)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(gè)方向上尺寸很小,另外一個(gè)方面上很大，又稱一維缺陷，如各類位錯(cuò)。面缺陷（planardefect）：特征是在一個(gè)方面上尺寸很小,另外兩個(gè)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(shí)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(diǎn)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(diǎn)陣畸變?cè)訜嵴駝?dòng)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(duì)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(diǎn)缺陷類型13/29/20238:56:17AM6點(diǎn)缺陷類型23/29/20238:56:17AM83.點(diǎn)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(gè)空位的能量變化

k—

玻爾茲曼常數(shù)

T—

絕對(duì)溫度其中：A由振動(dòng)熵決定的系數(shù)，取1—10，通常取1。T↑--C↑空位形成能(vacancyformationenergy):點(diǎn)缺陷都是由于原子的熱運(yùn)動(dòng)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(guò)熱力學(xué)分析，在絕對(duì)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(diǎn)缺陷的狀態(tài)，這個(gè)濃度稱為該溫度下晶體中點(diǎn)缺陷的平衡濃度(equilibriumconsistence)。經(jīng)熱力學(xué)推導(dǎo)：3/29/20238:56:17AM9△Ev對(duì)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(diǎn)缺陷的平衡濃度降低關(guān)于點(diǎn)缺陷濃度的幾點(diǎn)說(shuō)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(shí),高溫下形成的大量空位來(lái)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(shí)空位濃度將大于熱平衡時(shí)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(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng)

點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng)方式：

(1)空位運(yùn)動(dòng)。

(2)間隙原子遷移。

(3)空位和間隙原子相遇，兩缺陷同時(shí)消失。

(4)逸出晶體到表面，或移到晶界，點(diǎn)缺陷消失。3/29/20238:56:17AM125.點(diǎn)缺陷對(duì)晶體性能的影響點(diǎn)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(diǎn)缺陷的存在會(huì)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(guò)飽和點(diǎn)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(shí)際滑移測(cè)定的值（1MPa）相差巨大.疑問(wèn):理想晶體模型及其滑移方式.?位錯(cuò)存在位錯(cuò)理論是上個(gè)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(shí)，滑移面上各個(gè)原子在切應(yīng)力作用下，同時(shí)克服相鄰滑移面上原子的作用力前進(jìn)一個(gè)原子間距，完成這一過(guò)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(gè)很大的數(shù)值，如Cu單晶體。3/29/20238:56:17AM14位錯(cuò)逐排依次運(yùn)動(dòng)——塑變?cè)用嬲w滑移——塑變理論強(qiáng)度遠(yuǎn)大于實(shí)測(cè)值探求新理論——位錯(cuò)理論發(fā)現(xiàn)問(wèn)題促使核心計(jì)算強(qiáng)度值實(shí)測(cè)值結(jié)果位錯(cuò)（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(cuò)排現(xiàn)象；錯(cuò)排區(qū)是細(xì)長(zhǎng)的管狀畸變區(qū),長(zhǎng)度可達(dá)幾百至幾萬(wàn)個(gè)原子間距,寬僅幾個(gè)原子間距.位錯(cuò)理論是上個(gè)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(cuò)（edgedislocation）

螺型位錯(cuò)（screwdislocation）

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

刃位錯(cuò)正：上壓下拉負(fù)：上拉下壓

稱為┻┻刃型位錯(cuò)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(cuò)3/29/20238:56:17AM18刃型位錯(cuò)特征：①刃型位錯(cuò)有一個(gè)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(cuò)稱為正刃型位錯(cuò)，用符號(hào)“┻”表示，反之為負(fù)刃型位錯(cuò)，用“┳”表示。②刃型位錯(cuò)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(shí)包含有位錯(cuò)線和滑移矢量的平面。位錯(cuò)線與滑移矢量互相垂直,它們構(gòu)成平面只有一個(gè)。④晶體中存在刃位錯(cuò)后,位錯(cuò)周圍的點(diǎn)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(cuò)周圍的點(diǎn)陣畸變關(guān)于半原子面左右對(duì)稱。含有多余半原子面的晶體受壓力，原子間距小于正常點(diǎn)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(diǎn)陣常數(shù)。⑤在位錯(cuò)線周圍的畸變區(qū)每個(gè)原子具有較大的平均能量?；儏^(qū)是一個(gè)狹長(zhǎng)的管道。3/29/20238:56:17AM19原子面部分錯(cuò)動(dòng)一個(gè)原子間距螺位錯(cuò)

不吻合過(guò)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(cuò)612543783/29/20238:56:17AM20晶體局部滑移造成的螺型位錯(cuò)3/29/20238:56:17AM21螺型位錯(cuò)的特點(diǎn)：(1)滑移矢量平行于位錯(cuò)線.(2)沒(méi)有多余的半原子面.(3)左、右旋分別用左(右)法則來(lái)判斷：令手臂沿著棱位錯(cuò)指向螺位錯(cuò),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(cuò).如果用右手才能辦到,是右螺位錯(cuò);如果用左手才能辦到,是左螺位錯(cuò).(4)錯(cuò)位線周圍的應(yīng)力場(chǎng)呈軸對(duì)稱分布

.3/29/20238:56:17AM233)混合位錯(cuò)刃型位錯(cuò)分量＋螺型位錯(cuò)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(cuò)區(qū)畸變的方向與程度刃型位錯(cuò)柏氏矢量的求法（1）包含位錯(cuò)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(diǎn)指向起點(diǎn)）使回路閉合——

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

（1）包含位錯(cuò)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(diǎn)指向起點(diǎn)）使回路閉合——

柏氏矢量3/29/20238:56:17AM27螺型位錯(cuò)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(gè)反映位錯(cuò)性質(zhì)以及由位錯(cuò)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(cuò)區(qū)域晶格畸變總量的大小。柏氏矢量可表示位錯(cuò)性質(zhì)和取向,即晶體滑移方向。柏氏矢量越大,位錯(cuò)周圍晶體畸變?cè)絿?yán)重。

(2)

位錯(cuò)的連續(xù)性:可以形成位錯(cuò)環(huán)、連接于其他位錯(cuò)、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(cuò)線具有唯一的柏氏矢量。

(4)

當(dāng)位錯(cuò)與其它位錯(cuò)相連,指向節(jié)點(diǎn)的諸位錯(cuò)的柏格斯矢量之和,必然等于離開節(jié)點(diǎn)的諸位錯(cuò)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(lái)表示.例：3/29/20238:56:17AM294）三種位錯(cuò)柏氏矢量的特點(diǎn)刃位錯(cuò)垂直主要是正應(yīng)力螺位錯(cuò)平行純剪應(yīng)力混合位錯(cuò)一定角度復(fù)雜位錯(cuò)類型柏氏矢量與位錯(cuò)線關(guān)系畸變應(yīng)力場(chǎng)3/29/20238:56:17AM303.位錯(cuò)密度單位體積晶體中所有位錯(cuò)線的總長(zhǎng)度穿過(guò)單位截面積的位錯(cuò)線數(shù)目（穿過(guò)單位面積的位錯(cuò)線根數(shù)，將位錯(cuò)簡(jiǎn)化為直線）cm/cm31/cm23/29/20238:56:17AM314.位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)基本形式:延伸、滑移、和攀移、增殖1)位錯(cuò)的延伸位錯(cuò)源:①籽晶中的位錯(cuò);②籽晶與新生長(zhǎng)的晶體之間接觸時(shí)造成的位錯(cuò).這些位錯(cuò)線會(huì)隨著晶體的生長(zhǎng)一直延伸下去,直到它與晶體表面或其它位錯(cuò)相交而終止.鍺、硅位錯(cuò)線的延伸長(zhǎng)度:與晶體生長(zhǎng)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(gè)平行的晶面間,對(duì)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。滑移最易沿著原子的密排方向進(jìn)行，這是由于在該方向上，有最短的滑移距離。對(duì)硅、鍺而言，原子密排方向是<100>，因此滑移方向是<100>。鍺、硅位錯(cuò)線的延伸長(zhǎng)度:與晶體生長(zhǎng)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(cuò)線大多處在{111}面上，位錯(cuò)的延伸也就在{111}面上進(jìn)行。若晶體生長(zhǎng)方向與{111}面的最小夾角很小，則位錯(cuò)線可以在晶體內(nèi)延伸很長(zhǎng)，甚至貫串整個(gè)晶體面不與晶體表面相交。相反，若生長(zhǎng)方向與{111}晶面的最小夾角很大，則位錯(cuò)線就會(huì)很快與晶體表面相交而終止。立方晶系中若干生長(zhǎng)方向與{111}晶面的夾角生長(zhǎng)方向[100][110][111][311][211]生長(zhǎng)方向與{111}的夾角35160192810010544490312928860307032為了防止位錯(cuò)的延伸，在生長(zhǎng)硅、鍺等單晶時(shí)，籽晶方向應(yīng)選擇[100]或[111]方向，[110]和[211]不適合作為生長(zhǎng)方向。3/29/20238:56:17AM352）滑移（1）刃位錯(cuò)的滑移3/29/20238:56:17AM36┻┻a）位錯(cuò)逐排依次前進(jìn)，實(shí)現(xiàn)兩原子面的相對(duì)滑移；b）滑移量=柏氏矢量的模；c）外力τ

//b，位錯(cuò)線⊥τ

，位錯(cuò)線運(yùn)動(dòng)方向//τd）τ一定時(shí)，正、負(fù)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)方向相反，但最終滑移效果相同；3/29/20238:56:17AM37（2）螺位錯(cuò)的滑移3/29/20238:56:17AM38右螺位錯(cuò)左螺位錯(cuò)LLa）位錯(cuò)逐排依次滑移，實(shí)現(xiàn)原子面的滑移；b）滑移量=柏氏矢量的模；c）τ

//b，位錯(cuò)線//τ

，位錯(cuò)線運(yùn)動(dòng)方向⊥τ；d）τ一定時(shí)，左、右螺位錯(cuò)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)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(cuò)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(shí),位錯(cuò)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(shí),位錯(cuò)環(huán)不斷縮小。晶體的范性形變與位錯(cuò)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(cuò)滑移的結(jié)果.3)范性形變,即滑移運(yùn)動(dòng)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(cuò)線—半原子面縮短（伸長(zhǎng)）—正（負(fù)）攀移

空位擴(kuò)散離開（到）位錯(cuò)線—半原子面伸長(zhǎng)（縮短）—負(fù)（正）攀移位錯(cuò)的攀移:在垂直于滑移面方向上運(yùn)動(dòng).攀移的實(shí)質(zhì):空位或間隙原子在刃位錯(cuò)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(cuò)的攀移過(guò)程:正攀移,向上運(yùn)動(dòng)；負(fù)攀移,向下運(yùn)動(dòng)注意：只有刃型位錯(cuò)才能發(fā)生攀移；高溫影響位錯(cuò)的攀移.位錯(cuò)的滑移運(yùn)動(dòng)與攀移運(yùn)動(dòng):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(diǎn)缺陷數(shù)目有關(guān).2)相同處:都與溫度有關(guān).4)位錯(cuò)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(duì)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(cuò)3/29/20238:56:17AM461.小角度晶界1)類型（1）對(duì)稱傾側(cè)晶界相鄰晶粒各轉(zhuǎn)θ/2同號(hào)刃位錯(cuò)平行排列（2）不對(duì)稱傾側(cè)晶界相互垂直的兩組刃位錯(cuò)垂直排列在某一晶界兩邊的晶體方向有一個(gè)很小角度的差異。3/29/20238:56:17AM472)小角度晶界特點(diǎn)θ<10°由位錯(cuò)構(gòu)成位錯(cuò)密度↑——位向差↑——晶格畸變↑——晶界能↑位錯(cuò)密度——決定位向差與晶界能位錯(cuò)類型與排列方式——決定小角晶界的類型注：3)