3.1晶體結(jié)構(gòu)缺陷的類型課件

第二章晶體結(jié)構(gòu)缺陷

3.1晶體結(jié)構(gòu)缺陷的類型缺陷的含義：通常把晶體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)中周期性勢場的畸變稱為晶體的結(jié)構(gòu)缺陷。理想晶體：質(zhì)點(diǎn)嚴(yán)格按照空間點(diǎn)陣排列。實(shí)際晶體：存在著各種各樣的結(jié)構(gòu)的不完整性。研究缺陷的意義：由于缺陷的存在，才使晶體表現(xiàn)出各種各樣的性質(zhì)，使材料加工、使用過程中的各種性能得以有效控制和改變，使材料性能的改善和復(fù)合材料的制備得以實(shí)現(xiàn)。因此，了解缺陷的形成及其運(yùn)動規(guī)律，對材料工藝過程的控制，對材料性能的改善，對于新型材料的設(shè)計、研究與開發(fā)具有重要意義。

缺陷對材料性能的影響舉例:

材料的強(qiáng)化，如鋼——是鐵中滲碳

陶瓷材料的增韌

半導(dǎo)體摻雜3.1晶體結(jié)構(gòu)缺陷的類型本章主要內(nèi)容：§2.1晶體結(jié)構(gòu)缺陷的類型§2.2點(diǎn)缺陷§2.3線缺陷§2.4面缺陷§2.5固溶體§2.6非化學(xué)計量化合物3.1晶體結(jié)構(gòu)缺陷的類型掌握缺陷的基本概念、分類方法；掌握缺陷的類型、含義及其特點(diǎn)；熟練書寫點(diǎn)缺陷的缺陷反應(yīng)方程式、化學(xué)平衡方法計算熱缺陷的濃度；了解缺陷在材料性能的改善、新型材料的設(shè)計、研究與開發(fā)中的意義。本章要求掌握的主要內(nèi)容：3.1晶體結(jié)構(gòu)缺陷的類型2.1晶體結(jié)構(gòu)缺陷的類型

分類方式：

幾何形態(tài)：點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷等

形成原因：熱缺陷、雜質(zhì)缺陷、非化學(xué)計量缺陷等3.1晶體結(jié)構(gòu)缺陷的類型一、按缺陷的幾何形態(tài)分類本征缺陷雜質(zhì)缺陷點(diǎn)缺陷零維缺陷線缺陷一維缺陷位錯面缺陷二維缺陷小角度晶界、大角度晶界攣晶界面堆垛層錯體缺陷三維缺陷包藏雜質(zhì)沉淀空洞3.1晶體結(jié)構(gòu)缺陷的類型1.點(diǎn)缺陷（零維缺陷）PointDefect

缺陷尺寸處于原子大小的數(shù)量級上，即三維方向上缺陷的尺寸都很小。包括：空位（vacancy）

間隙質(zhì)點(diǎn)（interstitialparticle）

錯位原子或離子

外來原子或離子（雜質(zhì)質(zhì)點(diǎn)）（foreignparticle）

雙空位等復(fù)合體點(diǎn)缺陷與材料的電學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)、材料的高溫動力學(xué)過程等有關(guān)。3.1晶體結(jié)構(gòu)缺陷的類型NowWhatDoYouSee?VacancyInterstitial3.1晶體結(jié)構(gòu)缺陷的類型?Vacancies:-vacantatomicsitesinastructure.?Self-Interstitials:-"extra"atomspositionedbetweenatomicsites.PointDefectsCommonRare3.1晶體結(jié)構(gòu)缺陷的類型Twooutcomesifimpurity(B)addedtohost(A):?SolidsolutionofBinA(i.e.,randomdist.ofpointdefects)ORSubstitutionalalloy(e.g.,CuinNi)Interstitialalloy(e.g.,CinFe)ImpuritiesIn

Solids3.1晶體結(jié)構(gòu)缺陷的類型8?Impuritiesmustalsosatisfychargebalance?Ex:NaCl?Substitutionalcationimpurity?SubstitutionalanionimpurityinitialgeometryCa2+impurityresultinggeometryCa2+Na+Na+Ca2+cationvacancyImpuritiesinCeramics3.1晶體結(jié)構(gòu)缺陷的類型2.線缺陷（一維缺陷）位錯(dislocation)指在一維方向上偏離理想晶體中的周期性、規(guī)則性排列所產(chǎn)生的缺陷，即缺陷尺寸在一維方向較長，另外二維方向上很短。如各種位錯（dislocation），如圖所示。線缺陷的產(chǎn)生及運(yùn)動與材料的韌性、脆性密切相關(guān)。3.1晶體結(jié)構(gòu)缺陷的類型刃型位錯3.1晶體結(jié)構(gòu)缺陷的類型GHEF刃型位錯示意圖：(a)立體模型;(b)平面圖

晶體局部滑移造成的刃型位錯3.1晶體結(jié)構(gòu)缺陷的類型螺型位錯3.1晶體結(jié)構(gòu)缺陷的類型CBAD(b)

螺型位錯示意圖:（a）立體模型；（b）平面圖ABCD(a)3.1晶體結(jié)構(gòu)缺陷的類型螺型位錯示意圖3.1晶體結(jié)構(gòu)缺陷的類型3.面缺陷

面缺陷又稱為二維缺陷，是指在二維方向上偏離理想晶體中的周期性、規(guī)則性排列而產(chǎn)生的缺陷，即缺陷尺寸在二維方向上延伸，在第三維方向上很小。如晶界、表面、堆積層錯、鑲嵌結(jié)構(gòu)等。面缺陷的取向及分布與材料的斷裂韌性有關(guān)。3.1晶體結(jié)構(gòu)缺陷的類型

面缺陷－晶界3.1晶體結(jié)構(gòu)缺陷的類型

晶界示意圖

亞晶界示意圖3.1晶體結(jié)構(gòu)缺陷的類型

晶界:晶界是兩相鄰晶粒間的過渡界面。由于相鄰晶粒間彼此位向各不相同，故晶界處的原子排列與晶內(nèi)不同，它們因同時受到相鄰兩側(cè)晶粒不同位向的綜合影響，而做無規(guī)則排列或近似于兩者取向的折衷位置的排列，這就形成了晶體中的重要的面缺陷。

亞晶界:實(shí)驗(yàn)表明，在實(shí)際金屬的一個晶粒內(nèi)部晶格位向也并非一致，而是存在一些位向略有差異的小晶塊（位向差一般不超過2°)。這些小晶塊稱為亞結(jié)構(gòu)。亞結(jié)構(gòu)之間的界面稱為亞晶界。3.1晶體結(jié)構(gòu)缺陷的類型面缺陷－堆積層錯

面心立方晶體中的抽出型層錯(a)和插入型層錯(b)3.1晶體結(jié)構(gòu)缺陷的類型

面缺陷－共格晶面

面心立方晶體中{111}面反映孿晶3.1晶體結(jié)構(gòu)缺陷的類型熱缺陷雜質(zhì)缺陷二按缺陷產(chǎn)生的原因分類非化學(xué)計量缺陷晶體缺陷電荷缺陷輻照缺陷3.1晶體結(jié)構(gòu)缺陷的類型1.熱缺陷

類型:弗侖克爾缺陷（Frenkeldefect）和肖特基缺陷（Schottkydefect）定義:熱缺陷亦稱為本征缺陷，是指由熱起伏的原因所產(chǎn)生的空位或間隙質(zhì)點(diǎn)（原子或離子）。熱缺陷濃度與溫度的關(guān)系:溫度升高時，熱缺陷濃度增加TE熱起伏(漲落)E原子

>E平均

原子脫離其平衡位置在原來位置上產(chǎn)生一個空位3.1晶體結(jié)構(gòu)缺陷的類型熱缺陷產(chǎn)生示意圖

（a）單質(zhì)中弗侖克爾缺陷的形成（空位與間隙質(zhì)點(diǎn)成對出現(xiàn)）（b）單質(zhì)中的肖特基缺陷的形成3.1晶體結(jié)構(gòu)缺陷的類型②

表面位置(間隙小/結(jié)構(gòu)緊湊)①

間隙位置(結(jié)構(gòu)空隙大)Frenkel缺陷MX:Schottky缺陷3.1晶體結(jié)構(gòu)缺陷的類型2.雜質(zhì)缺陷特征: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)。雜質(zhì)缺陷對材料性能的影響定義:亦稱為組成缺陷，是由外加雜質(zhì)的引入所產(chǎn)生的缺陷。3.1晶體結(jié)構(gòu)缺陷的類型基質(zhì)原子雜質(zhì)原子基質(zhì)原子雜質(zhì)原子取代式

間隙式

能量效應(yīng)體積效應(yīng)體積效應(yīng)3.1晶體結(jié)構(gòu)缺陷的類型3.非化學(xué)計量缺陷

特點(diǎn):其化學(xué)組成隨周圍氣氛的性質(zhì)及其分壓大小而變化。是一種半導(dǎo)體材料。定義:指組成上偏離化學(xué)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。如Fe1－xO、Zn1+xO等晶體中的缺陷。3.1晶體結(jié)構(gòu)缺陷的類型電荷缺陷：質(zhì)點(diǎn)排列的周期性未受到破壞，但因電子或空穴的產(chǎn)生，使周期性勢場發(fā)生畸變而產(chǎn)生的缺陷；包括：導(dǎo)帶電子和價帶空穴4.其它原因，如電荷缺陷，輻照缺陷等輻照缺陷：材料在輻照下所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)不完整性；如：色心、位錯環(huán)等；輻照缺陷對金屬的影響：高能輻照（如中子輻照），可把原子從正常格點(diǎn)位置撞擊出來，產(chǎn)生間隙原子和空位。降低金屬的導(dǎo)電性并使材料由韌變硬變脆。退火可排除