第一章晶體缺陷

第一章晶體缺陷第一頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期四實際晶體中常存在各種偏離理想結構的區(qū)域，即晶體缺陷。晶體缺陷對晶體的性質起著重要作用。存在于晶體結構中的缺陷，按幾何特征可分為：第一章晶體缺陷零維—點缺陷空位、間隙原子、置換原子、復雜離子

一維—線缺陷各類位錯二維—面缺陷各類晶界，表面及層錯等三維—體缺陷第二相粒子、空位團等第二頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期四1.1 點缺陷一、點缺陷的形式與分類金屬晶體中，點缺陷的存在形式有：空位、間隙原子，置換原子。半金屬Si、Ge中摻入三價和五價雜質元素，晶體中產生載流子，得到P型（空穴）和N型（電子）半導體材料。離子晶體中，單一點缺陷的出現，晶體將失去電平衡。為了保持電中性，將以復合點缺陷形式出現，形成能較高。第三頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期四

Frank

復合型空位＋間隙離子

Shockley

復合型一對帶電空位FrankShockleyNaCl晶體Ca+2取代Na+Ca+2Na+Cl-空位第四頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期四按形成原因分為三類：熱缺陷

由原子的熱振動，形變加工，高能粒子轟擊等，此類點缺陷濃度受熱力學控制，平衡濃度與溫度有關。

Cv＝f（T）雜質缺陷如摻雜、氧化或其他原因引入的外來原子或分子。第五頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期四非化學計量

離子晶體的陶瓷、金屬間化合物，通常以化合物為基形成固溶體。成分在分子式AxBy左右變化，此類點缺陷稱為非化學計量點缺陷。電子陶瓷中的這類點缺陷濃度，會隨周圍環(huán)境發(fā)生變化，是制造檢測元件（傳感器）的基礎。例：SnO2在缺氧氣氛中，將放出氧（O2↑）電學性能變化，據此原理可測量周圍氣氛氧含量。帶負電荷的點缺陷帶正電荷的氧空位性能指標：靈敏度響應時間線性度第六頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期四二、點缺陷的平衡濃度與線缺陷、面缺陷不同，點缺陷在熱力學上是穩(wěn)定的，其平衡濃度隨溫度升高而增加。設晶體中原子的正常位置數N，空位數目為n；形成一個空位所需的能量為Ev；

n個空位的組態(tài)熵為Sc；振動熵為nSv；則體系自由能改變：ΔG=nEv－T(nSv+Sc)

Cv＝f（T）第七頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期四其中組態(tài)熵：ΔG=nEv－T(nSv+Sc)

nΔG0平衡時：第八頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期四其中ΔGv—空位形成能★結論：T℃↗、ΔGv↘

Cv↗第九頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期四說明：其它點缺陷也有類似的表達式，不同的只是形成能的高低、濃度大小不同而以。同類間隙原子形成能太大，平衡濃度很低，可以忽略。異類原子中，只有小半徑的H、O、N、C、B以間隙式存在。其它原子因半徑大,以置換式存在于晶格中,形成能較小。各種點缺陷的存在形式第十頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期四復合點缺陷的形成能一般較高，濃度較低。

—各點缺陷單元形成能之和例：Frank缺陷形成能由空位形成能與間隙缺陷形成能之和。

注：P202.（5-26）式錯誤=D-==)2exp(kTGNnCff第十一頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期四1.2線缺陷—位錯←ττ→滑移面一、位錯理論的提出早期認為晶體在切應力作用下，原子沿滑移面同步剛性地平移，滑移面上下兩部分晶體相對錯動。按此模型推算，晶體開始滑移所必須的力：第十二頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期四切應變：切應力：∵G=104～105N/mm2∴τm=103～104N/mm2而τ實=100N/mm2按經典模型嚴密推導，也比實測值高出103～104倍?！应印R界點a第十三頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期四晶體的理論切應力與實驗值的比較（單位：N/mm2）金

屬理論切應力實驗值切變模量Al38300.78624400Ag39800.37225000Cu64800.49040700α-Fe110002.7568950Mg26300.39316400第十四頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期四啟示與設想：實際晶體結構是非理想完整的，存在偏離正常排列的原子結構—某種缺陷，并能在較小的應力下運動。實際晶體的滑移是非同步剛性的，滑移首先從缺陷處開始，滑移的繼續(xù)靠缺陷的逐步傳遞而實現。這種特殊的原子排列組態(tài)稱為位錯。第十五頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期四二、位錯模型1、刃型位錯刃型位錯形成過程刃型位錯原子結構

ABCD—滑移面

—多余半原子面

—已滑移區(qū)

—未滑移區(qū)⊥τ→bEF滑移面←τDABC滑移矢量⊥第十六頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期四位錯核心區(qū)域的原子排列晶體中由已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的交界處，原子嚴重錯排而造成的晶體缺陷稱為位錯。E-F線稱為位錯線。由于它像刀刃，所以稱為刃型位錯。正、負刃位錯分別用“⊥”、“

”表示。核心區(qū)域FE⊥⊥第十七頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期四特點:位錯線垂直于滑移矢量b，位錯線與滑移矢量構成的面稱為滑移面。刃型位錯周圍的晶體產生畸變，使位錯線周圍產生彈性應變，造成應力場。在位錯線周圍的畸變區(qū)原子有較高的能量，該區(qū)只有幾個原子寬，所以該區(qū)稱線缺陷。第十八頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期四2、螺位錯單晶受切應力τ作用，上下兩部分晶體沿滑移面發(fā)生了部分滑移?；茀^(qū)與未滑移區(qū)交線為EF，EF線周圍的原子失去了正常排列。它們圍繞著EF構成了一個以EF為軸的螺旋面，這種晶體缺陷稱為螺位錯。τ螺型位錯模型上層原子下層原子EFABCDτbEFτDABC第十九頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期四按旋進方向，螺位錯分左旋與右旋兩類。表示方法:結構特點：①螺位錯線與滑移矢量平行，因此由位錯線與滑移矢量構成的滑移面不是唯一的。②螺位錯不引起體積膨脹和收縮，但產生剪切畸變，從而在位錯線附近產生應力場。③螺位錯是包含幾個原子寬度的線缺陷。右螺左螺b第二十頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期四3、混合型位錯如果晶體中已滑移區(qū)和未滑移區(qū)的交界線是曲線。其位錯線與滑移矢量既不平行又不垂直，稱為混合型位錯。第二十一頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期四結構特點:位錯線與滑移方向既不平行也不垂直，其原子排列介于刃、螺位錯之間?？煞纸獬扇行秃吐菪头至?。ττDABCb位錯環(huán)模型DABC第二十二頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期四電子顯微鏡下的位錯線透射電鏡下鈦合金中的位錯線高分辨率電鏡下的刃位錯（白點為原子）第二十三頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期四三、柏氏矢量—定量描述位錯的物理量1、柏氏矢量的確定①選定位錯線的正方向。②在含有位錯的晶體中，繞位錯線沿好區(qū)作右旋的閉合回路。③在完整晶體中作同樣回路，它必然不能閉合。④從終點連向起點得。第二十四頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期四AA右旋閉合回路完整晶體中回路第二十五頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期四★由此確定的柏氏矢量與柏氏回路的大小及形狀無關，位錯運動或形狀發(fā)生變化時，其柏氏矢量不變。向上為正刃向下為負刃對刃位錯⊥⊥多余半原子面、位錯線和柏氏矢量服從右手定則。右手定則拇指實指中指多余半原子面朝向（⊥）第二十六頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期四螺位錯柏氏矢量的確定：右旋閉合回路完整晶體中回路螺位錯∥右螺左螺第二十七頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期四混合型位錯的柏氏矢量第二十八頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期四2、柏氏矢量的意義意義在于：通過比較反映出位錯周圍點陣畸變的總積累（包括強度和取向）。位錯可定義為柏氏矢量不為零的晶體缺陷。位錯線是晶體滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界線，滑移區(qū)上下兩部分晶體相對滑移的大小和方向就是。第二十九頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期四3、柏氏矢量的性質（1）守恒性a.一根位錯線只有一個，運動過程中不變?！呤腔茀^(qū)上下兩部分晶體相對滑動的矢量?；茀^(qū)未滑移區(qū)∴無論位錯線形狀如何，怎樣運動，滑移區(qū)的相對滑移矢量不變，即相同。第三十頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期四右螺C左螺D例：位錯環(huán)的確定ττDABCBACD┻┬ττ┻┬ABττ第三十一頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期四b.幾根位錯線的節(jié)點處有：進出證明：B1B2+3B2B3L2L3L1第三十二頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期四（2）連續(xù)性位錯線不能終止在晶體中，只能形成閉合回路、網絡、連到表面或晶界。┻第三十三頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期四4、實際晶體中的柏氏矢量實際晶體中位錯的，通常用晶向表示。

表示錯排的程度，稱為位錯的強度。一般晶體的滑移是在原子最密集的平面和最密集的方向上進行，所以沿該方向造成的位錯柏氏矢量，等于最短的滑移矢量。（稱為初基矢量）。這種位錯稱為單位位錯?！獮樽罱彽脑娱g距的位錯。b222wvuna++=r第三十四頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期四單位位錯的體心立方面心立方簡單立方密排六方a第三十五頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期四四、位錯密度(cm/cm3、1/cm2)退火試樣，ρ為104～106mm-2，經變形后為，ρ為1010mm-2。ρσ退火態(tài)加工硬化晶須第三十六頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期四1.3 面缺陷—界面晶體中兩相鄰部分的取向、結構、或點陣常數不同，在它們的接觸處將形成界面。界面是一種二維缺陷，對材料的許多性能有重要影響。一、界面類型一般分類：晶界：多晶材料內部結構相同，而取向不同的晶粒之間的界面。純鐵內部結構示意圖第三十七頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期四亞晶界：晶粒內部位相差<10°的微區(qū)稱亞結構或亞晶，其界面稱亞晶界。孿晶界：晶粒內部具有特殊取向的兩相鄰區(qū)域，原子相對某晶面呈鏡面對稱排列，這兩相鄰區(qū)組成一對孿晶。其界面叫孿晶界。相界：具有不同晶體結構，不同化學成分的兩相之間的界面。第三十八頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期四孿晶界面結構奧氏體孿晶第三十九頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期四按能量高低分類完全共格界面：(界面能最低)

界面上的原子為相鄰兩個晶粒所共有。當兩晶區(qū)晶面間距相等或稍有錯配時才可能形成。理想完全共格界面一般少見，在實際晶體中，界面兩側的晶面間距稍有錯配時，界面附近有應變。第四十頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期四半共格界面：（界面能中等）

當相鄰晶粒的晶面間距相差較大時，將由若干位錯來補償其錯配，出現共格區(qū)與非共格區(qū)相間界面。AB半共格界面中的共格區(qū)A+非共格區(qū)B第四十一頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期四非共格界面：（界面能高）當兩相鄰的晶粒的晶面間距相差很大時，界面上的原子排列完全不吻合，出現高缺陷分布的界面。第四十二頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期四BA二、界面結構①對稱傾斜晶界由一系列相隔一定距離的刃型位錯垂直排列而成，一般稱為位錯墻，從能量上講是穩(wěn)定的。θD1.小角度晶界兩相鄰晶粒的位相差<10°的晶界。亞晶界通常屬于小角晶界。當θ=1°

b=0.25nm

則:

D=14nm若θ>10°時,D<1.4nm

位錯相距太近，不適用。第四十三頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期四②扭轉晶界扭轉晶界是由兩組交叉的螺位錯二維網絡構成。原子排列如圖:θD+θθ第四十四頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期四討論：單純的傾斜晶界和扭轉晶界是小角晶界的簡單形式。對于一般的小角晶界，既含有傾斜又有扭轉，是由刃型、螺型或混合型位錯構成的二維網絡。晶體中由復雜的二維位錯網絡構成的小角晶界群，稱為位錯胞。第四十五頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期四2、大角度晶界相鄰晶粒位相差>10°的晶界叫做大角晶界。為高缺陷區(qū)域。研究表明，大角晶界只是幾個埃的很狹窄的過渡區(qū)，原子排列較不規(guī)則，不能用具體模型描述。一般認為它由某些原子排列規(guī)則的好區(qū)與排列紊亂的壞區(qū)所組成。第四十六頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期四大角晶界的界面能很高，大致在0.5～0.6J/m2,且與相鄰晶粒的取向差無關。特殊取向差的大角晶界能量較低，可用重合位置點陣模型解釋。特點：θγ0.501020304070J/m2Cu的界面能孿晶界小角度晶界1/71/5重合位置點陣第四十七頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期四三、表面晶體表面—固體材料與外界氣體或液體接觸的界面。晶體表面上的原子受內外原子或分子作用力不均衡，因而具有表面能。晶體以不同的晶面為表面，其表面能是不同的。一般密排面表面能最低，易于裸露在外，因此自由生長的單晶常具有晶形。第四十八頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期四BA四、界面上的張力平衡兩晶?！街被Я！唤恰?20°120°BCA四晶粒—棱間交角≈109°28′或分解為兩個三叉晶界。ABCDDABCDABC第四十九頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期四晶粒形貌—十四面體(滿空間填充及界面張力平衡)體形平衡形貌二維穩(wěn)定形貌第五十頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期四五、堆垛層錯

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