晶體缺陷ppt課件

1、第四章 晶體結(jié)構(gòu)缺陷,1,第一節(jié) 前言第二節(jié) 點缺陷第三節(jié) 線缺陷-位錯第四節(jié) 面缺陷與體缺陷,第四章 晶體結(jié)構(gòu)缺陷,2,4.1 概 述,1、缺陷產(chǎn)生的原因熱震動 雜質(zhì) 2、 缺陷定義 實際晶體與理想晶體相比有一定程度的偏離或不完美性， 把兩種結(jié)構(gòu)發(fā)生偏離的區(qū)域叫缺陷。 3、 缺陷分類點缺陷、線缺陷、面缺陷、體缺陷 4、 研究缺陷的意義 （1） 晶體缺陷是材料結(jié)構(gòu)敏感性的物理根源。 （2）晶體缺陷是材料導電、半導體、發(fā)色（色心）、發(fā)光、 擴散、燒結(jié)、固相反應等的機制。 （3）尋找排除晶體缺陷的方法，進一步提高材料的質(zhì)量和性能的穩(wěn)定性。,3,4.2 點缺陷 一、類型 A 、根據(jù)對理想晶體偏離的幾

2、何位置來分：有三類,空 位,填 隙 原 子,雜 質(zhì) 原 子,正常結(jié)點位置沒有被質(zhì)點占據(jù)，稱為空位。,質(zhì)點進入間隙位置成為填隙原子。,雜質(zhì)原子進入晶格（結(jié)晶過程中混入或加入，一般不大于1，）。,進入,間隙位置間隙雜質(zhì)原子 正常結(jié)點取代（置換）雜質(zhì)原子。,固溶體,4,B、 根據(jù)產(chǎn)生缺陷的原因分,熱 缺 陷,雜 質(zhì) 缺 陷,非化學計量結(jié)構(gòu)缺陷（電荷缺陷）,5,1. 熱缺陷：當晶體的溫度高于絕對0K時，由于晶格內(nèi)原子熱運動，使一部分能量較大的原子離開平衡位置造成的缺陷。 （1）弗林克爾傾斜- Frankel缺陷 特點 空位和間隙成對產(chǎn)生 ；晶體密度不變。,例 : 纖鋅礦結(jié)構(gòu)ZnO晶體，Zn2+ 可以離

3、開原位進入間隙， 此間隙為結(jié)構(gòu)中的另一半“四孔”和“八孔”位置。 從能量角度分析：,6,Frankel缺陷的產(chǎn)生,上,7,（2） 肖特基缺陷- Schttky缺陷,正常格點的原子由于熱運動躍遷到晶體表面，在晶體內(nèi)正常格點留下空位。,Schttky缺陷形成的能量小于Frankel 缺陷形成的能量因此對于大多數(shù)晶體來說，Schttky 缺陷是主要的。,特點,形成,從形成缺陷的能量來分析,熱缺陷濃度表示 ：,對于離子晶體，為保持電中性，正離子空位和負離子空位成對產(chǎn)生，晶體體積增大,下,8,Schottky缺陷的產(chǎn)生,上,9,晶體中的Schottky缺陷(空位）,晶體中的Frenkel缺陷(位錯）,1

4、0,2 . 雜質(zhì)缺陷 概念雜質(zhì)原子進入晶體而產(chǎn)生的缺陷。原子進入晶體的數(shù)量一般小于0.1%。 種類間隙雜質(zhì) 置換雜質(zhì) 特點雜質(zhì)缺陷的濃度與溫度無關(guān)， 只決定于溶解度。 存在的原因本身存在 有目的加入(改善晶體的某種性能),11,雜質(zhì)缺陷與信息材料,（1）P型半導體：單晶硅中摻入B、Ga等,（2）N型半導體：單晶硅中摻入As、P、Sb等,12,3. 非化學計量結(jié)構(gòu)缺陷（電荷缺陷） 存在于非化學計量化合物中的結(jié)構(gòu)缺陷，化合物化學組成與周圍環(huán)境氣氛有關(guān)；不同種類的離子或原子數(shù)之比不能用簡單整數(shù)表示。如： ;,非化學計量缺陷,電荷缺陷,價帶產(chǎn)生空穴 導帶存在電子,附加 電場,周期排列不變 周期勢場畸變

5、 產(chǎn)生電荷缺陷,13,二、缺陷化學反應表示法,用一個主要符號表明缺陷的種類 用一個下標表示缺陷位置 用一個上標表示缺陷的有效電荷 如“ . ”表示有效正電荷; “ / ”表示有效負電荷; “”表示有效零電荷。 用MX離子晶體為例（ M2 ；X2 ）： （1）空位：Vacancy VM 表示M原子占有的位置，在M原子移走后出現(xiàn)的空位；VX 表示X原子占有的位置，在X原子移走后出現(xiàn)的空位。,1. 常用缺陷表示方法,14,把離子化合物看作完全由離子構(gòu)成（這里不考慮化學鍵性質(zhì)），則在 NaCl晶體中，如果取走一個Na+ 晶格中多了一個e, 因此VNa 必然和這個e/相聯(lián)系，形成帶電的空位,寫作,同樣，

6、如果取出一個Cl ,即相當于取走一個Cl原子加一個e，那么氯空位上就留下一個電子空穴(h. )即,15,（2） 填隙原子：Interstitial, 用下標“i”表示 Mi 表示M原子進入間隙位置； Xi 表示X原子進入間隙位置。 （3）錯位原子（錯放位置）： MX 表示M原子占據(jù)了應是X原子正常所處的平衡位置，XM 類似。 （4）溶質(zhì)原子（雜質(zhì)原子）： LM 表示溶質(zhì)L占據(jù)了M的位置。如：CaNa SX 表示S溶質(zhì)占據(jù)了X位置。,16,（5）自由電子及電子空穴：某些電子不處于特定位置上，稱為自由電子，寫作 e；同樣，某些缺陷上缺少電子，這就是電子空穴，用h,有些情況下，價電子并不一定屬于某個

7、特定位置的原子，在光、電、熱的作用下可以在晶體中運動，原固定位置稱次自由電子（符號e）。同樣可以出現(xiàn)缺少電子，而出現(xiàn)電子空穴（符號h),它也不屬于某個特定的原子位置。,17,（6）帶電缺陷 不同價離子之間取代出現(xiàn)離子空位以外的又一種帶電缺陷。 如Ca2+取代Na+Ca Na Ca2+取代Zr4+CaZr,(7) 締合中心在晶體中除了單個缺陷外，有可能出現(xiàn)鄰近兩個缺陷互相締合，把發(fā)生 締合的缺陷用小括號表示，也稱復合缺陷。 通常是一個帶電缺陷與另一個有相反符號的點缺陷締合。因為在離子晶體中帶相反電荷的點缺陷之間，存在一種有利于締合的庫侖引力。 如：在NaCl晶體中，,18,2. 書寫點缺陷反應式

8、的規(guī)則 （1）位置關(guān)系： 在化合物MaXb中M位置數(shù)和X的位置數(shù)目成一個正確的比例，即保持a:b。 對于計量化合物（如NaCl、Al2O3），在缺陷反應式中作為溶劑的晶體所提供的位置比例應保持不變，但每類位置總數(shù)可以改變。 例：,對于非化學計量化合物，當存在氣氛不同時，原子之間 的比例是改變的。 例：TiO2 由 1 : 2 變成 1 : 2x (TiO2x ),K : Cl = 2 : 2,19,(2) 位置增殖 形成Schttky缺陷時增加了位置數(shù)目。 能引起位置增殖的缺陷：空位(VM)、錯位(VX)、置換雜質(zhì)原子( MX 、XM)、表面位置(XM)等。 不發(fā)生位置增殖的缺陷：e , h,

9、 Mi , Xi , Li等。 當表面原子遷移到內(nèi)部與空位復合時，則減少了位置數(shù)目（MM 、XX）。,20,(3)質(zhì)量平衡 參加反應的原子數(shù)在方程兩邊應相等。 (4)電中性 缺陷反應兩邊總的有效電荷必須相等。 (5)表面位置 當一個M原子從晶體內(nèi)部遷移到表面時，用符號MS表示。S 表示表面位置。在缺陷化學反應中表面位置一般不特別表示。,21,（1）缺陷符號 缺陷的有效電荷是相對于基質(zhì)晶體的結(jié)點位置而言的， 用“.”、“”、“”表示正、負（有效電荷）及電中性。,K的空位，對原來結(jié)點位置而言，少了一個正電荷， 所以空位帶一個有效負電荷。,雜質(zhì)Ca2+取代Zr4+位置，與原來的Zr4+比，少2個正電

10、荷， 即帶2個負有效電荷。,雜質(zhì)離子Ca2+取代Na+位置,比原來Na+高+1價電荷, 因此與這個位置上應有的+1電價比,缺陷帶1個有效正電荷。,雜質(zhì)離子K+與占據(jù)的位置上的原Na+同價，所以不帶電荷。,Na+ 在NaCl晶體正常位置上（應是Na+ 占據(jù)的點陣位置， 不帶 有效電荷，也不存在缺陷。,小結(jié),22,表示 Cl-的空位，對原結(jié)點位置而言，少了一個負電荷，所以空位帶一個有效正電荷。 計算公式： 有效電荷現(xiàn)處類別的既有電荷完整晶體在同樣位置上的電荷 （ 2） 每種缺陷都可以看作是一種物質(zhì)，離子空位與點陣空（h）也是物質(zhì)，不是什么都沒有?？瘴皇且粋€零粒子。,23,3 寫缺陷反應舉例 （1）

11、 CaCl2溶解在KCl中,表示KCl作為溶劑。 以上三種寫法均符合缺陷反應規(guī)則。 實際上（11）比較合理。,24,（2） ZrO2摻入到Y(jié)2O3晶格中缺陷,正常晶格位置保持2：3；質(zhì)量平衡；等式二邊電荷相等，說明此反應符合書寫規(guī)則。,Y2O3 2ZrO2(S) 2ZrY+3OO+Oi,25,（3） MgO溶解到Al2O3晶格中，形成有限置換型固溶體,（15較不合理。因為Mg2+進入間隙位置不易發(fā)生。,26,練習 寫出下列缺陷反應式： (1) MgCl2固溶在LiCl晶體中(產(chǎn)生正離子空位，生成置換型SS) (2) SrO固溶在Li2O晶體中(產(chǎn)生正離子空位，生成置換型SS) (3) Al2O

12、3固溶在MgO晶體中(產(chǎn)生正離子空位，生成置換型SS) (4) YF3固溶在CaF2晶體中(產(chǎn)生正離子空位，生成置換型SS) (5) CaO固溶在ZrO2晶體中(產(chǎn)生負離子空位，生成置換型SS),27,三、 熱缺陷濃度計算 若是單質(zhì)晶體形成熱缺陷濃度計算為：,若是MX二元離子晶體的Schttky缺陷，因為同時出現(xiàn)正離子空位和負離子空位，熱缺陷濃度計算為：,28,四、非本征缺陷,1、定義 非晶體所固有，而是由各種外來因素造成的缺陷。 非本征缺陷形成的途徑： 引入雜質(zhì)形成固溶體，出現(xiàn)溶質(zhì)原子、填隙離子、空位等缺陷； 改變原化學配比，形成非化學計量化合物，產(chǎn)生缺陷； 通過輻照形成缺陷； 金屬冷加工；

13、 淬火,29,固溶體的形成： 形成條件：結(jié)構(gòu)類型相同， 化學性質(zhì)相似， 置換質(zhì)點大小相近。,2、雜質(zhì)的引入 （1）固溶體 固溶體的定義：外來組分（原子、離子或分子）分布在基質(zhì)晶格內(nèi)，類似于溶質(zhì)溶解在溶劑中一樣，雖然晶格要產(chǎn)生畸變或出現(xiàn)其它缺陷，但仍保持一個晶相。,易于形成,形成史：(1) 在晶體生長過程中形成 (2)在熔體析晶時形成 (3)通過燒結(jié)過程的原子擴散而形成 幾個概念區(qū)別固溶體、化合物、混合物。,30,固溶體的分類 (1) 按溶質(zhì)原子在溶劑晶體中的溶解度分類 ： 連續(xù)型固溶體、 有限型固溶體 特點：對于有限型固溶體，溶質(zhì)在有限范圍內(nèi) 溶解度隨溫度升高而增加。 (2) 按溶質(zhì)原子在溶劑

14、晶格中的位置劃分：間隙型固溶體、換型固溶體 特點：形成間隙型固溶體體積基本不變或略有膨脹； 形成置換型固溶體后體積應比基質(zhì)大。,31,形成置換固溶體的條件和影響溶解度因素,(1) 離 子 大 小,(2) 晶體的結(jié)構(gòu)類型,(3) 離 子 電 價,(4) 電 負 性,32,（2）置換型固溶體,主要有以下幾種情況 簡單置換 電價相同離子之間進行等量置換。 例：,BaTiO3 SrTiO3 SrBa+TiTi+3OO 特點：僅引起晶格畸變，產(chǎn)生的點缺陷就是一般的溶質(zhì)離子。,33,電荷補償置換 BaTiO3 2PbCo0.5W0.5O3 2PbBa+CoTi+WTi+6OO 式中Co2+比Ti4+低二價

15、，而W6+比Ti4+高二價，當用Co2+和W6+置換2個i4+之后，是數(shù)是平衡的，轉(zhuǎn)換的離子個數(shù)也相同。 特點：溶解度極限比單獨摻Co2+或W6+大，是摻雜改性的主要方法。產(chǎn)生的點缺陷是一般溶質(zhì)或帶電溶質(zhì)。 形成正離子空位的置換,特點：點缺陷為帶電溶質(zhì)和正離子空位。 高價置換低價，形成正離子空位。,34,形成負離子空位的置換,特點：點缺陷是帶電溶質(zhì)和負離子空位。 低價置換高價，形成負離子空位。,（3）填隙型固溶體 雜質(zhì)原子如果進入溶劑晶格中和間隙位置，就生成間隙型固溶體。 若雜質(zhì)原子較小，能進入晶格間隙位置內(nèi)。 影響因素： 溶質(zhì)原子的大小和溶劑晶體空隙大小 出現(xiàn)正離子填隙的置換,特點：點缺陷是

16、帶電溶質(zhì)和填隙正離子。 低價置換高價，形成正離子填隙。,35,出現(xiàn)負離子填隙的置換,特點：點缺陷是帶電溶質(zhì)和填隙負離子。 高價置換低價，形成負離子填隙。,原子填隙 在金屬晶體中，原子半徑較小的H、C、B元素進入晶格間隙形成間隙型固溶體。例如C在Fe中間隙SS。過渡元素與C、B、N、Si等形成的硫化物、硼化物、氮化物、硅化物等本質(zhì)是SS。在金屬結(jié)構(gòu)中，C、 B、N、 Si占據(jù)“四孔”和“八孔”，稱金屬硬質(zhì)材料，它們有高硬或超硬性能，熔點極高。 例如：HfC(碳化鉿) m.p=3890 ； TaN(氮化鉭) m.p=3090；HfB2(硼化鉿) m.p=3250,36,（2）半導體摻雜 n型半導體

17、 摻有施主雜質(zhì)，以電子為多數(shù)載流子的半導體。其中電子主要由施主雜質(zhì)提供。 施主：半導體中能“施放”電子的雜質(zhì)原子或晶格缺陷。 例： Si P PSi+e Si As AsSi+e P5+或As5+取代Si4+造成一個富余的電子，在Si4+位上。,37,P型半導體 摻有受主雜質(zhì)，以電子空穴為多數(shù)載流子的半導體。 受主：半導體中能“接受”電子的雜質(zhì)原子或晶格缺陷。 例： Si B BSi+ h,B3+代替Si4+造成缺失一個電子。 注意：有些缺陷反應交不只有一種情況，如YF3摻入CaF2形成固溶體的反應除了前面講過的形成負離子填隙型，還可以形成陽離子空位型?？蓪懗桑?CaF2 2YF3 2YCa+

18、VCa+6FF,38,小結(jié) 在不等價置換固溶體中，可能出現(xiàn)的四種“組分缺陷”,以上四種究竟出現(xiàn)哪種，必須通過實驗測定來確定。,低價置換高價,高價置換低價,39,定義：把原子或離子的比例不成簡單整數(shù)比或固定 的比例關(guān)系的 化合物稱為非化學計量化合 物。 實質(zhì)：同一種元素的高價態(tài)與低價態(tài)離子之間的置 換型固溶體。 例 ：方鐵礦只有一個近似的組成Fe0.95O，它的結(jié) 構(gòu)中總是有陽 離子空位存在，為保持結(jié)構(gòu)電 中性，每形成一個 ,必須有2個Fe2+轉(zhuǎn)變 為Fe3+。,3、非化學計量化合物,40,非化學計量化合物可分為四種類型：,陽離子填隙型,陰離子間隙型,陽離子空位型,陰離子缺位型,41,TiO2晶

19、體在缺O(jiān)2條件下，在晶體中會出現(xiàn)氧空位。缺氧的TiO2可以看作Ti4+和Ti3+氧化物的SS，缺陷反應為：,（1）陰離子缺位型 TiO2x；ZrO2-x,這種變價現(xiàn)象是和電子相聯(lián)系的。 Ti4+ e Ti3+ , 此電子e并不固定在一個特定的Ti4+離子上，此電子e并不固定在一個特定的Ti4+離子上，而容易從一個位置遷移到另一個位置。即可把這個e看作是在負離子空位周圍，束縛了過剩電子，以保持電中性。因為是帶正電的，在電場作用下e可以 遷 移，形成電子導電，所以具有這種缺陷的材料是一種n 型半導體。,42,說明氧空位的嘗試和氧分壓的1/6次方成正比。 所以，TiO2材料在燒結(jié)時對氧分壓是十分敏感

20、的，如在強氧化氣氛中燒結(jié)，獲得金黃色介質(zhì)材料，如氧分壓不足，VO增大，燒結(jié)得到灰黑色的n型半導體。,氧分壓與空位濃度關(guān)系：,43,（2）陽離子填隙型 如 Zn1+xO，Cd1+xO 過剩的金屬離子進入間隙位，它是帶正電的，為了保持電中性，等價的電子被束縛在間隙離子的周圍。ZnO 在Zn蒸汽中加熱，顏色加深，缺陷反應為：,它們也可形成n型半導體。,44,（3）陰離子間隙型,很少，只有UO2+x可以看作U3O8（2UO3.UO2)在UO2中的SS。由于結(jié)構(gòu)中有間隙陰離子，為保持電中性，結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)電子空穴，反應式為：,同樣， 也不局限于特定的正離子，它在電場下運動，所以是P型半導體。,45,Fe1-

21、xO可以看作是Fe2O3在FeO中的固溶體。為了保持電中性在正離子空位周圍捕獲 ,是P型半導體。缺陷反應為：,為保持電中性，兩個,綜上所述，非化學計量化合物組成與缺陷濃度有關(guān)，并與氧分壓有關(guān)，或與氣氛有關(guān)。,（4）陽離子空位型 如Fe1xO ,Cu2xO,46,（6）色心 定義：由于電子補償引起的一種缺陷。 其形成絕大部分與非化學計量有關(guān)，包括俘獲電子中心或俘獲空穴中心。 由于俘獲電子中心或俘獲空穴中心的存在，使晶中出現(xiàn)了相應的吸收帶，其中一部分中心的吸收帶位于可見光范圍內(nèi)，使晶體呈現(xiàn)不同的顏色。 F心：在堿金屬鹵化物晶體中，由一個孤立的負離子空位俘獲一個電子構(gòu)成俘獲電子中心。 如將NaCl晶

22、體放在Na蒸汽中加熱，Na+擴散到NaCl晶體中，導致Na+過剩，Cl-不足，于是的一個價電子被吸引到負離子空位上（VCl周圍），從而形成色心。,47,F-色心的形成,實質(zhì): 一個鹵素負離子空位加上一個被束縛 在其庫侖場中帶電子。,-+-+-,+-+-+,+-+-+,-+-+-,-+-+-,48,類F心 包括F心、F+心和F2心、F3心 F心：在堿金屬鹵化物晶體中，一個負離子空位俘獲兩個電子構(gòu)成的電子中心。 F+心：在堿金屬鹵化物晶體中就是一個孤立的負離子。 F2心、F3心：是兩個以上的F心緊靠在一起而構(gòu)成的電子 中心，又稱為M心、R心等。 有雜質(zhì)參與的電子中心 當F心近鄰的個堿金屬離子中的一

23、個被另一堿金屬雜質(zhì)離子所取代，就形成一個FA心；被二個堿金屬雜質(zhì)離子所取代就形成FB心。 此外，可根據(jù)不同激發(fā)狀態(tài)，分為FA()心和FA()心、FB()心和FB()等。,49,V-色心的形成,實質(zhì): 金屬正離子空位加上相應個數(shù)被束縛 在其庫侖場中帶正電的電子空穴。,-+-+-,+-+-+,+-+-+,-+-+-,-+-+-,V心 是指電子被正離子俘獲構(gòu)成的空穴中心。,50,4.3 線缺陷-位錯,晶體的線缺陷表現(xiàn)為各種類型的位錯（dislocation），其在三維空間兩個方向上尺寸很小，另外一個方向上延伸較長。它不像點缺陷那樣容易被人接受和理解，人們是從研究晶體的塑性變形中才認識到晶體中存在著位

24、錯。 位錯對晶體的強度與斷裂等力學性能起著決定性的作用。同時，位錯對晶體的擴散與相變等過程也有一定的影響。,51,1. 位錯模型的提出背景 完整晶體塑性變形滑移的模型金屬晶體的理論強度理論強度比實測強度高出幾個數(shù)量級 晶體缺陷的設想 線缺陷（位錯）的模型 以位錯滑移模型計算出的晶體強度，與實測值基本相符。 晶體（例如Cu單晶體）作剛性滑移所需的臨界切應力值（1540MPa）與實際滑移測定的值（1MPa）相差巨大，表明晶體內(nèi)部一定存在著很多缺陷(defect)，它們使滑移(slip)，即塑性變形（plastic deformation）,不需作兩個原子面之間的整體移動，在低的應力條件下就能進行，

25、這種內(nèi)部缺陷就是位錯（dislocation）。,一、位錯理論的產(chǎn)生,52,2. 理想晶體的滑移模型,晶體在滑移時，滑移面上各個原子在切應力作用下，同時克服相鄰滑移面上原子的作用力前進一個原子間距，完成這一過程所需的切應力就相當于晶體的理論剪切屈服強度，這是一個很大的數(shù)值，例如Cu單晶體的理論剪切屈服強度約為1540 MPa，但它實際的屈服強度僅為1Mpa，二者相差巨大 。,理想晶體的滑移模型,53,晶體的實際強度與理論強度之間的巨大差異，使人們對理想晶體模型及其滑移方式產(chǎn)生懷疑，認識到晶體中原子排列絕非完全規(guī)則，滑移也不是兩個原子面之間集體的相對移動，晶體內(nèi)部一定存在著很多缺陷，即薄弱環(huán)節(jié)，

26、使的塑性變形過程在很低的應力下就開始進行，這種內(nèi)部缺陷就是位錯。,54,晶體在不同的應力狀態(tài)下，其滑移方式不同。根據(jù)原子的滑移方向和位錯線取向的幾何特征不同，位錯分為 刃位錯 螺位錯 混合位錯。,二、位錯的基本類型和特征,55,（一）、刃位錯,1、形成及定義 晶體在大于屈服值的切應力作用下，以ABCD面為滑移面發(fā)生滑移。EF是晶體已滑移部分和未滑移部分的交線，猶如砍入晶體的一把刀的刀刃，即刃位錯(edge dislocation)。 2、幾何特征：位錯線與原子滑移方向相垂直；滑移面上部位錯線周圍原子受壓應力作用，原子間距小于正常晶格間距；滑移面下部位錯線周圍原子受張應力作用，原子間距大于正常晶

27、格間距。 3、分類：正刃位錯， “” ；負刃位錯， “T” 。符號中水平線代表滑移面，垂直線代表半個原子面。,56,刃位錯示意圖,57,4、刃型位錯的結(jié)構(gòu)特征,有一額外的半原子面； 可理解為是已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界線，可是直線也可是折線和曲線，但它們必與滑移方向和滑移矢量垂直； 只能在同時包含有位錯線和滑移矢量的滑移平面上滑移； 位錯周圍點陣發(fā)生彈性畸變，有切應變，也有正應變； 位錯畸變區(qū)只有幾個原子間距，是狹長的管道，故是線缺陷。,58,（二）、螺位錯,1、形成及定義 晶體在外加切應力作用下，沿ABCD面滑移，圖中EF線為已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的分界處。由于位錯線周圍的一組原子面形成了一個連續(xù)

28、的螺旋形坡面，故稱為螺位錯（screw dislocation） 。 2、幾何特征： 位錯線與原子滑移方向相平行；位錯線周圍原子的配置是螺旋狀的。 3、分類： 有左、右旋之分，分別以符號“”和“”表示。其中小圓點代表與該點垂直的位錯，旋轉(zhuǎn)箭頭表示螺旋的旋轉(zhuǎn)方向。它們之間符合左手、右手螺旋定則。,59,圖4-8 螺位錯形成示意圖,螺位錯滑移面兩側(cè)晶面上原子的滑移情況,60,4. 螺型位錯的結(jié)構(gòu)特征,無額外的半原子面，原子錯排程軸對稱， 分右旋和左旋螺型位錯； 一定是直線，與滑移矢量平行，位錯線移動方向與晶體滑移方向垂直； 滑移面不是唯一的，包含螺型位錯線的平面都可以作為它的滑移面； 位錯周圍點陣

29、也發(fā)生彈性畸變，但只有平行于位錯線的切應變而無正應變，即不引起體積的膨脹和收縮； 位錯畸變區(qū)也是幾個原子間距寬度，同樣是線位錯。,61,在外力作用下，兩部分之間發(fā)生相對滑移，在晶體內(nèi)部已滑移和未滑移部分的交線既不垂直也不平行滑移方向（伯氏矢量b），這樣的位錯稱為混合位錯。 位錯線上任意一點，經(jīng)矢量分解后，可分解為刃位錯和螺位錯分量。晶體中位錯線的形狀可以是任意的，但位錯線上各點的伯氏矢量相同，只是各點的刃型、螺型分量不同而已。,（三）、混合型位錯,62,63,圖4-9,（a）混合位錯的形成,（b）混合位錯分解為刃位錯和螺位錯示意圖,（c）混合位錯線附近原子滑移透視圖,64,由于位錯線是已滑移區(qū)

30、與未滑移區(qū)的邊界線。因此，位錯具有一個重要的性質(zhì)如下： 一根位錯線不能終止于晶體內(nèi)部，而只能露頭于晶體表面（包括晶界）。若它終止于晶體內(nèi)部，則必與其他位錯線相連接，或在晶體內(nèi)部形成封閉線。形成封閉線的位錯稱為位錯環(huán)。,65,陰影區(qū)是滑移面上一個封閉的已滑移區(qū)。顯然，位錯環(huán)各處的位錯結(jié)構(gòu)類型也可按各處的位錯線方向與滑移矢量的關(guān)系加以分析，如A，B兩處是刃型位錯，C，D兩處是螺型位錯，其他各處均為混合位錯。,66,晶體內(nèi)偏離周期性點陣結(jié)構(gòu)的二維缺陷稱為面缺陷，主要有層錯、小角晶界、晶界、相界等。晶體內(nèi)部偏離周期性點陣結(jié)構(gòu)的三維缺陷稱為體缺陷，主要有包裹體、空洞、夾雜物，第二相等。 一、面缺陷 1、

31、分類 （1）平移界面：界面一側(cè)的結(jié)構(gòu)可以通過界面另一側(cè)的結(jié)構(gòu)作一非點陣平移，如層錯、結(jié)晶毀變面等。,第四節(jié) 面缺陷與體缺陷,67,（2）孿晶界面：界面一側(cè)的結(jié)構(gòu)可以通過界面另一側(cè)結(jié)構(gòu)施加結(jié)晶學反映。如以反演、旋轉(zhuǎn)等獲得的孿晶界、電疇界、磁疇界等等。 （3）位錯界面：界面兩側(cè)的晶體存在小取向差，可以通過點陣旋轉(zhuǎn)而使界面兩側(cè)的晶體相互重合，如亞晶界或小角晶界等。 2、平移界面 層錯 層錯是在密排晶體中原子面的堆垛順序出現(xiàn)反常 所造成的面缺陷。 前面討論晶體的密堆積方式時得到： （1）fcc（面心立方）晶體在平行于111面的原子排列順序是ABCABCABC。 （2）hcp（密排六方）晶體在平行于00

32、01面的原子排列順序是ABABAB。,68,若由力學因素（如變形）或熱力學因素（加熱或 冷卻）使堆垛順序發(fā)生局部變化，形成如下幾種新結(jié) 構(gòu)： （1）插入型層錯：插入一密排層，形成 ABCAB(A)CABC。 （2）抽出型層錯：抽去一密排層，形成 ABCABCBCABC。 （3）孿生：對密排層，形成 ABCABCABCACBACBA的排列。 由于錯排是在整個界面上發(fā)生的，一般情況下要引起晶體能量的大幅度增加。,69,這些堆錯了的新結(jié)構(gòu)，相當于在面心立方晶體 中形成了薄層的hcp晶體，也稱為堆垛層錯。這些層 錯對晶體的影響僅在于層錯面兩側(cè)的晶體結(jié)構(gòu)相應 于理想情況作了一個特定的非點陣相對平移，這種

33、 平移在密堆積結(jié)構(gòu)中并不改變原子最近鄰的關(guān)系， 只產(chǎn)生次近鄰的錯排，而且?guī)缀醪划a(chǎn)生畸變，所以 是一種低能量的面缺陷。除密堆積結(jié)構(gòu)外，其它類 型的晶體也可能出現(xiàn)層錯，如金剛石結(jié)構(gòu)和閃鋅礦 結(jié)構(gòu)的111面在外延生長過程中，將會出現(xiàn)層錯。,70,結(jié)晶切變面 常出現(xiàn)于非化學計量化合物中。 在非計量化合物中，當偏離較大時，光靠點缺陷來容納組分的偏離是遠遠不夠的。許多過渡氧化物晶體，氧與金屬的原子比，可以有很大的范圍。 為了解釋此類現(xiàn)象，Wadsley提出一種通過局域形成共氧原子配位八面體的方式改變氧/金屬比的模型：沿某些低指數(shù)面將化學配比晶體中的氧原子層抽出，然后再將兩半晶體通過切變式的位移吻合起來。這一過程使晶體中的氧八面體由共頂角變?yōu)楣怖膺叄蛘哂晒怖膺呑優(yōu)楣裁?。（如圖2-2-39）。每個氧原子配位數(shù)保持不變，但氧/金屬比則相應降低了。這種情況下形成的面缺陷稱為結(jié)晶切變面。,71,3、孿晶界面 天然晶體或人工晶體在生長過程中，以及晶體在經(jīng)歷相變時，都有可能產(chǎn)生結(jié)構(gòu)上取向上不同的排列，從而形成由不同取向的單晶區(qū)組成的孿晶（即雙晶）。 孿晶各區(qū)之間的相