第11講-缺陷的類型-點缺陷課件

?第四章第一講本章共4講固體物理學掌握缺陷的基本類型、性質(zhì)，缺陷的統(tǒng)計理論、擴散和缺陷在外場中的遷移。第四章晶體結(jié)構(gòu)中的缺陷教學目標和要求缺陷的分類方法點缺陷點缺陷的形成原因點缺陷的類型點缺陷的運動點缺陷的熱平衡統(tǒng)計第四章

晶體結(jié)構(gòu)中的缺陷第一講

緒論

點缺陷本講內(nèi)容理想晶體：結(jié)點嚴格按照空間點陣排列。實際晶體：存在著各種各樣的結(jié)構(gòu)的不完整性。晶體缺陷：晶體缺陷就是指實際晶體中與理想晶體中的周期性點陣結(jié)構(gòu)發(fā)生偏離的區(qū)域。分類方式幾何形態(tài)：點缺陷、線缺陷、面缺陷等。形成原因：熱缺陷、雜質(zhì)缺陷、非化學計量缺陷等?！?.0緒論第四章

晶體結(jié)構(gòu)中的缺陷第一講

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點缺陷(a)空位(b)雜質(zhì)原子(c)間隙原子圖4-1晶體中的點缺陷晶體缺陷的類型——按缺陷的幾何形狀分類點缺陷：發(fā)生在晶體中一個或者幾個晶格常數(shù)范圍內(nèi)的缺陷，其三維尺度都與原子尺寸相近，也稱為零維缺陷，例如空位、間隙原子、雜質(zhì)原子等。第四章

晶體結(jié)構(gòu)中的缺陷第一講

緒論

點缺陷圖4-2

(a)刃型位錯(b)螺型位錯

(a)

(b)線缺陷：發(fā)生在晶體中一條線周圍內(nèi)的缺陷，其一維尺寸比其他二維尺寸大得多，也稱為一維缺陷，例如刃型位錯和螺型位錯。第四章

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點缺陷圖4-3面缺陷(a)小角晶界(b)孿晶(a)(b)面缺陷：發(fā)生在晶體中二維平面上的缺陷，其二維尺寸比其他一維尺寸大得多，也稱為二維缺陷，例如晶界、相界、堆垛層錯、孿晶等。第四章

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點缺陷晶體缺陷的類型——按缺陷的產(chǎn)生原因分類1.熱缺陷

定義：是指由熱起伏的原因所產(chǎn)生的空位或間隙質(zhì)點(原子或離子)，熱缺陷亦稱為本征缺陷。

類型：弗蘭克爾缺陷和肖脫基缺陷。

特征：溫度升高時，熱缺陷濃度增加。圖4-4(a)弗蘭克爾缺陷(b)肖脫基缺陷(a)(b)第四章

晶體結(jié)構(gòu)中的缺陷第一講

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點缺陷2.雜質(zhì)缺陷定義：亦稱為組成缺陷，是由外加雜質(zhì)的引入所產(chǎn)生的缺陷。類型：間隙雜質(zhì)和替位雜質(zhì)。特征：如果雜質(zhì)的含量在固溶體的溶解度范圍內(nèi)，則雜質(zhì)缺陷的濃度與溫度無關(guān)。圖4-5(a)間隙雜質(zhì)(b)(c)替位雜質(zhì)(a)(b)(c)第四章

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點缺陷3.非化學計量缺陷

定義：是指組成上偏離化學中的定比定律所形成的缺陷。它是由基質(zhì)晶體與介質(zhì)中的某些組分發(fā)生交換而產(chǎn)生的。

特征：其化學組成隨周圍氣氛的性質(zhì)及其分壓大小而變化。4.其它原因產(chǎn)生的缺陷，如電荷缺陷，輻照缺陷等。第四章

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點缺陷晶體中格點的熱運動及空位的產(chǎn)生原子在平衡位置附近做熱運動；

一定溫度下，所有原子熱運動的平均振幅和平均能量是一定的；

各個原子的振幅和能量并不一定相等；對任意原子來說，其振幅和平均能量在統(tǒng)計平均值附近不斷變化，如果某一原子在某一時刻獲得了足夠大的能量，脫離了原來格點位置而遷移到其他位置，結(jié)果就在原來的位置上出現(xiàn)了空格點，稱為空位。

空位的出現(xiàn)產(chǎn)生了晶格畸變。圖4-6空位的形成§4.1點缺陷第四章

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點缺陷4.1.1點缺陷的形成及種類圖4-7熱缺陷的形成脫離原來格點位置的原子有三種去向：遷移到晶體表面、遷移到晶體中晶界、位錯或空位處；遷移到晶體內(nèi)部非格點位置。肖脫基缺陷：晶體中的格點原子掙脫原子勢阱后，如果遷移到晶體的表面位置或遷移到晶界、位錯或空位處湮滅，而不產(chǎn)生新的缺陷，只在原來的格點上形成空位，這種缺陷就稱為肖脫基缺陷。第四章

晶體結(jié)構(gòu)中的缺陷第一講

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點缺陷間隙原子：晶體表面或晶界、位錯處的個別原子獲得足夠大的能量進入晶體內(nèi)部非格點的間隙位置，就形成了缺陷，這種缺陷稱為間隙原子。圖4-7熱缺陷的形成弗蘭克爾缺陷：晶體中的格點原子掙脫原子勢阱后，如果遷移到晶體內(nèi)部的非格點位置上，同時產(chǎn)生一個空位和一間隙原子，這種空位—原子對式的缺陷就是弗蘭克爾缺陷。以上三種點缺陷都是由于原子的熱運動造成的，故稱為熱缺陷。第四章

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點缺陷圖4-8雜質(zhì)缺陷(c)雜質(zhì)缺陷：實際晶體中不可避免地含有或多或少的雜質(zhì)，甚至為了改善晶體的某些性能，還人為地摻雜一些雜質(zhì)。這就形成了雜質(zhì)缺陷?；|(zhì)原子：組成晶體的原子稱為基質(zhì)原子。

雜質(zhì)原子：摻入到晶體中的異類原子或同位素原子稱為雜質(zhì)原子。雜質(zhì)原子在晶體中占據(jù)位置的方式有兩種：替位雜質(zhì)和間隙雜質(zhì)。

替位雜質(zhì)：雜質(zhì)原子取代基質(zhì)原子而占據(jù)規(guī)則的格點位置稱為替位雜質(zhì)。

間隙雜質(zhì)：雜質(zhì)原子占據(jù)晶體中的非格點的間隙位置，稱為間隙替位。第四章

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點缺陷圖4-9點缺陷的類型(a)肖脫基缺陷(b)弗蘭克爾缺陷(c)間隙原子(d)間隙雜質(zhì)(e)(f)替位雜質(zhì)(a)(c)(d)(b)(e)(f)第四章

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緒論

點缺陷圖4-10肖脫基缺陷的產(chǎn)生和運動方式肖脫基缺陷的產(chǎn)生和運動方式

肖脫基缺陷的產(chǎn)生除了需要熱力學條件外，還需要合適的格點周圍條件。離表面近的原子在獲得足夠的能量后，比較容易遷移到晶體表面而形成肖脫基缺陷；晶體內(nèi)部的原子如果周圍有晶界、位錯或空位時，原子在獲得足夠的能量后比較容易遷移到這些缺陷處形成肖脫基缺陷。如果晶體內(nèi)部深處的原子附近沒有缺陷，則形成肖脫基缺陷的可能性較小。

由于在表面產(chǎn)生肖脫基缺陷的幾率較大，所以肖脫基缺陷的運動方式可以看作靠近表面的空位逐漸向晶體內(nèi)部遷移，也可以看作晶體內(nèi)部的原子逐漸向靠近表面的空位遷移。第四章

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點缺陷(b)C圖4-11空位的遷移AB(c)4.1.2點缺陷的運動AB(a)空位附近的原子在獲得足夠的能量后，可以跳入空位，使空位發(fā)生遷移。如圖4-11，A處的原子跳入B處的空位，相當于B處的空位遷移到A處，在這個過程中，原子需要經(jīng)過位置C，當原子處于C處時，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，能量較高?？瘴贿w移能：空位的遷移必須有足夠的能量來克服這個勢壘，這部分增加的能量稱為空位遷移能。由于勢壘的存在，一般情況下空位的遷移也是不規(guī)則的布朗運動。只有在某些特殊情況下，比如晶體內(nèi)空位濃度分布不均勻或晶體內(nèi)應(yīng)力場分布不均勻時才會導(dǎo)致大量空位的定向遷移。第四章

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點缺陷復(fù)合(湮滅)

在點缺陷的運動過程中，如果一個間隙原子和一個空位相遇，間隙原子將落入空位，而使兩者彼此抵消，這一過程稱為缺陷的復(fù)合(湮滅)。消亡如果點缺陷移動到晶界、位錯等晶體缺陷處，將在這些地方消失，稱為點缺陷的消亡。圖4-12缺陷的復(fù)合和消亡第四章

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點缺陷4.1.3熱缺陷的統(tǒng)計平衡理論向晶體中引入點缺陷導(dǎo)致熵的增加，自由能降低，同時點缺陷又引起內(nèi)能的增加，自由能增加。點缺陷原子熱運動溫度根據(jù)熱力學原理，自由能F=U-TS式中，U是內(nèi)能，S是熵，T是絕對溫度。在一定溫度下，某一數(shù)量的點缺陷在兩種因素的相互作用下，使系統(tǒng)的自由能F達到最小，系統(tǒng)最穩(wěn)定。這時點缺陷的濃度稱為該溫度下的平衡濃度n(肖脫基缺陷和弗蘭克爾缺陷的平衡濃度分別用ns和nf表示)，且滿足?F/?n=0。第四章

晶體結(jié)構(gòu)中的缺陷第一講

緒論

點缺陷幾點假設(shè)1、晶體中有N個完全相同的原子，晶體的體積與溫度無關(guān)；2、點缺陷的形成能與溫度無關(guān)；3、點缺陷的數(shù)目為n，沒有相互作用，是相互獨立的；4、晶格振動的頻率不受缺陷的影響。下面以肖脫基缺陷為例計算晶體中點缺陷的濃度。例：設(shè)晶體中有N個原子，晶格中每產(chǎn)生一個空位需要的能量為us。求T溫度下晶體中肖脫基缺陷的平衡濃度ns/N。第四章

晶體結(jié)構(gòu)中的缺陷第一講

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點缺陷解：晶體組態(tài)熵的增加為ns個空位在晶格中的排列方式數(shù)斯特令近似法：當N足夠大時，則晶體自由能的變化可表示為第四章

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點缺陷則在實際晶體中，由于ns?N，所以ns/N≈ns/(N-ns)所以平衡時肖脫基缺陷數(shù)為求得平衡時晶體的自由能最小，則第四章

晶體結(jié)構(gòu)中的缺陷第一講

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點缺陷弗蘭克爾缺陷數(shù)用同樣的方法可以出平衡時弗蘭克爾缺陷數(shù)為間隙原子數(shù)用相同的方法可以求出平衡時間隙原子缺陷數(shù)為式中N為晶體中原子個數(shù)，N為間隙位置數(shù)，uf是形成一個弗蘭克爾缺陷