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晶体结构缺陷


§2.1 晶体结构缺陷的类型
分类方式:
几何形态:点缺陷、线缺陷、面缺陷等 形成原因:热缺陷、杂质缺陷、非化学计
量缺陷等
一、按缺陷的几何形态分类
1.点缺陷(零维缺陷)
缺陷尺寸处于原子大小的数量级上,即三 维方向上缺陷的尺寸都很小。包括:
空位(vacancy) 间隙质点(interstitial particle) 杂质质点(foreign particle),如图2-1所示 。 点缺陷与材料的电学性质、光学性质、材 料的高温动力学过程等有关。
5.带Байду номын сангаас缺陷
在NaCl晶体中,取出一个Na+离子,会在原来 的位置上留下一个电子e,,写成VNa’ ,即代表 Na+离子空位,带一个单位负电荷。同理,Cl- 离子空位记为VCl ·,带一个单位正电荷。
即:VNa’=VNa+e,,VCl ·=VCl+h·。
其它带电缺陷:
1)CaCl2加入NaCl晶体时, 若Ca2+离子位于Na+离子位置上,其缺陷符号
注意:
一. 位置关系强调形成缺陷时,基质晶体中正负 离子格点数之比保持不变,并非原子个数比 保持不变。
二. 在上述各种缺陷符号中,VM、VX、MM、XX、MX 、XM等位于正常格点上,对格点数的多少有影 响,而Mi、Xi、e,、h·等不在正常格点上,对 格点数的多少无影响。
三. 形成缺陷时,基质晶体中的原子数会发生变 化,外加杂质进入基质晶体时,系统原子数 增加,晶体尺寸增大;基质中原子逃逸到周 围介质中时,晶体尺寸减小。
第二章 晶体结构缺陷
• § 2.1 晶体结构缺陷的类型 • § 2.2 点缺陷 • § 2.3 线缺陷 • § 2.4 面缺陷
缺陷的含义:通常把晶体点阵结构中周期性势 场的畸变称为晶体的结构缺陷。
理想晶体:质点严格按照空间点阵排列。 实际晶体:存在着各种各样的结构的不完整性 。
缺陷对材料性能的影响
二、缺陷反应表示法
对于杂质缺陷而言,缺陷反应方程式的 一般式:
基质
杂质
产生的各种缺陷
1.写缺陷反应方程式应遵循的原则
与一般的化学反应相类似,书写缺陷反 应方程式时,应该遵循下列基本原则: (1)位置关系 (2)质量平衡 (3)电中性
(1)位置关系:
在化合物MaXb中,无论是否存在缺陷,其 正负离子位置数(即格点数)的之比始终是 一个常数a/b,即:M的格点数/X的格点数 a/b。如NaCl结构中,正负离子格点数之比 为1/1,Al2O3中则为2/3。
4. 其它原因,如电荷缺陷,辐照缺陷等
§2.2 点缺陷
本节介绍以下内容: 一、点缺陷的符号表征:Kroger-Vink符号 二、缺陷反应方程式的写法
一、点缺陷的符号表征:Kroger-Vink符号
以MX型化合物为例: 1.空位(vacancy)用V来表示,符号中的右下标表示缺陷
所在位置,VM含义即M原子位置是空的。 2.间隙原子(interstitial)亦称为填隙原子,用Mi、Xi
(2)质量平衡:与化学反应方程式相同,缺
陷反应方程式两边的质量应该相等。需要注意 的是缺陷符号的右下标表示缺陷所在的位置, 对质量平衡无影响。
(3)电中性:电中性要求缺陷反应方程式两
图2-4 面缺陷-堆积层错 面心立方晶体中的抽出型层错(a)和插入型层错(b)
图2-5 面缺陷-共格晶面 面心立方晶体中{111}面反映孪晶
二、按缺陷产生的原因分类
1. 热缺陷 2. 杂质缺陷 3. 非化学计量缺陷 4. 其它原因,如电荷缺陷,辐照缺陷 等
1.热缺陷
定义:热缺陷亦称为本征缺陷,是指由热起伏的原 因所产生的空位或间隙质点(原子或离子)。
特征:如果杂质的含量在固溶体的溶解度范围内 ,则杂质缺陷的浓度与温度无关。
杂质缺陷对材料性能的影响
3.非化学计量缺陷
定义:指组成上偏离化学中的定比定律所形成 的缺陷。它是由基质晶体与介质中的某些组 分发生交换而产生。如Fe1-xO、Zn1+xO等晶体 中的缺陷。
特点:其化学组成随周围气氛的性质及其分压 大小而变化。是一种半导体材料。
来表示,其含义为M、X原子位于晶格间隙位置。 3. 错位原子 错位原子用MX、XM等表示,MX的含义是M原
子占据X原子的位置。XM表示X原子占据M原子的位置。
4. 自由电子(electron)与电子空穴 (hole)
分别用e,和h· 来表示。其中右上标中的一 撇“,”代表一个单位负电荷,一个圆点“ ·” 代表一个单位正电荷。
为CaNa ·,此符号含义为Ca2+离子占据Na+离子位 置,带有一个单位正电荷。 2)CaZr,,表示Ca2+离子占据Zr4+离子位置,此缺陷 带有二个单位负电荷。
其余的缺陷VM、VX、Mi、Xi等都可以加上对应 于原阵点位置的有效电荷来表示相应的带电缺 陷。
6.缔合中心
电性相反的缺陷距离接近到一定程度时 ,在库仑力作用下会缔合成一组或一群,产 生一个缔合中心, VM和VX发生缔合,记为( VMVX)。
(a)
(b)
图2-2 (a)刃位错 (b)螺位错
3.面缺陷
面缺陷又称为二维缺陷,是指在二维方向上 偏离理想晶体中的周期性、规则性排列而产生的 缺陷,即缺陷尺寸在二维方向上延伸,在第三维 方向上很小。如晶界、表面、堆积层错、镶嵌结 构等。
面缺陷的取向及分布与材料的断裂韧性有关 。
图2-3 面缺陷-晶界
(a)空位
(弗仑克尔缺陷 和肖特基缺陷)
图2-1
(b)杂质质点 (置换)
(c)间隙质点
晶体中的点缺陷
2.线缺陷(一维缺陷)
指在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、 规则性排列所产生的缺陷,即缺陷尺寸在一维方 向较长,另外二维方向上很短。如各种位错( dislocation),如图2-2所示。
线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性密 切相关。
类型:弗仑克尔缺陷(Frenkel defect)和肖特 基缺陷(Schottky defect)
热缺陷浓度与温度的关系:温度升高时,热缺陷浓 度增加
(a)弗仑克尔缺陷的形成(空 位与间隙质点成对出现)
(b)单质中的肖特基缺陷 的形成(只形成空位)
图2-6 热缺陷产生示意图
2.杂质缺陷
定义:亦称为组成缺陷,是由外加杂质的引入所 产生的缺陷(原位质点被杂质质点所取代)。
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