第二章晶體結(jié)構(gòu)缺陷-武漢理工大學(xué)

1、第二章第二章 晶體結(jié)構(gòu)缺陷晶體結(jié)構(gòu)缺陷 缺陷的含義缺陷的含義：通常把晶體點陣結(jié)構(gòu)中周期性勢場的畸變稱為：通常把晶體點陣結(jié)構(gòu)中周期性勢場的畸變稱為晶體的晶體的結(jié)構(gòu)缺陷結(jié)構(gòu)缺陷。理想晶體理想晶體：質(zhì)點嚴(yán)格按照空間點陣排列。：質(zhì)點嚴(yán)格按照空間點陣排列。實際晶體實際晶體：存在著各種各樣的結(jié)構(gòu)的不完整性。：存在著各種各樣的結(jié)構(gòu)的不完整性。研究缺陷的意義：研究缺陷的意義：由于缺陷的存在，才使晶體表現(xiàn)出各種由于缺陷的存在，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)合材料的制備得以效控制和改變，使材料

2、性能的改善和復(fù)合材料的制備得以實現(xiàn)。因此，了解缺陷的形成及其運動規(guī)律，對材料工藝實現(xiàn)。因此，了解缺陷的形成及其運動規(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、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。研究與開發(fā)具有重要意義。缺陷對材料性能的影響舉例缺陷對材料性能的影響舉例:材料的強(qiáng)化，如鋼材料的強(qiáng)化，如鋼是鐵中滲碳是鐵中滲碳陶瓷材料的增韌陶瓷材料的增韌半導(dǎo)體摻雜半導(dǎo)體摻雜本章主要內(nèi)容：本章主要內(nèi)容：n2. .1 晶體結(jié)構(gòu)缺陷的類型晶體結(jié)構(gòu)缺陷的類型 n2. 2 點缺陷點缺陷n2. .3 線缺陷線缺陷n2. .4 面缺陷面缺陷n2. .5 固

3、溶體固溶體n2. .6 非化學(xué)計量化合物非化學(xué)計量化合物n掌握缺陷的基本概念、分類方法；掌握缺陷的基本概念、分類方法；n掌握缺陷的類型、含義及其特點；掌握缺陷的類型、含義及其特點；n熟練書寫點缺陷的缺陷反應(yīng)方程式、熟練書寫點缺陷的缺陷反應(yīng)方程式、化學(xué)平衡方化學(xué)平衡方法計算熱缺陷的濃度法計算熱缺陷的濃度；n了解缺陷在材料性能的改善、新型材料的設(shè)計、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。研究與開發(fā)中的意義。本章要求掌握的主要內(nèi)容：本章要求掌握的主要內(nèi)容：2.1 晶體結(jié)構(gòu)缺陷的類型晶體結(jié)構(gòu)缺陷的類型 分類方式：分類方式：幾何形態(tài)幾何形態(tài)：點缺陷、線缺陷、面缺陷等點缺陷、線缺陷

4、、面缺陷等形成原因形成原因：熱缺陷、雜質(zhì)缺陷、非化學(xué)計量缺陷等熱缺陷、雜質(zhì)缺陷、非化學(xué)計量缺陷等一、按缺陷的幾何形態(tài)分類一、按缺陷的幾何形態(tài)分類 本征缺陷本征缺陷雜質(zhì)缺陷雜質(zhì)缺陷點缺陷點缺陷零維缺陷零維缺陷線缺陷線缺陷一維缺陷一維缺陷位錯位錯面缺陷面缺陷二維缺陷二維缺陷小角度晶界、大角度晶界小角度晶界、大角度晶界攣晶界面攣晶界面堆垛層錯堆垛層錯體缺陷體缺陷三維缺陷三維缺陷包藏雜質(zhì)包藏雜質(zhì)沉淀沉淀空洞空洞1. 點缺陷（零維缺陷）點缺陷（零維缺陷） Point Defect 缺陷尺寸處于原子大小的數(shù)量級上，即三維方向上缺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。陷的尺寸都很小。

5、包括：包括：空位（空位（vacancy） 間隙質(zhì)點（間隙質(zhì)點（interstitial particle） 錯位原子或離子錯位原子或離子 外來原子或離子外來原子或離子（雜質(zhì)質(zhì)點）（雜質(zhì)質(zhì)點）（foreign particle） 雙空位等復(fù)合體雙空位等復(fù)合體點缺陷與材料的電學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)、材料的高溫動力學(xué)點缺陷與材料的電學(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)。過程等有關(guān)。Now What Do You See?VacancyInterstitial Vacancies:-vacant atomic sites in a structure.Vacancydistortion of pla

6、nes Self-Interstitials:-extra atoms positioned between atomic sites.self-interstitialdistortion of planesPoint DefectsCommonRareTwo outcomes if impurity (B) added to host (A): Solid solution of B in A (i.e., random dist. of point defects)ORSubstitutional alloy(e.g., Cu in Ni)Interstitial alloy(e.g.,

7、 C in Fe)Impurities In Solids8 Impurities must also satisfy charge balance Ex: NaCl Substitutional cation impurity Substitutional anion impurityinitial geometryCa2+ impurityresulting geometryCa2+Na+Na+Ca2+cation vacancyinitial geometry O2- impurityO2-Cl-anion vacancyCl-resulting geometryImpurities i

8、n Ceramics2. 線缺陷（一維缺陷）線缺陷（一維缺陷）位錯位錯(dislocation)指在一維方向上偏離理想晶體中的周期性、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。如各種向較長，另外二維方向上很短。如各種位錯位錯（dislocation），），如如圖圖所示。所示。 線缺陷的產(chǎn)生及運動與材料的韌性、脆性密線缺陷的產(chǎn)生及運動與材料的韌性、脆性密切相關(guān)。切相關(guān)。 刃型位錯刃型位錯 G H E F刃型位錯示意圖：刃型位錯示意圖：(a)(a)立體模型立體模型;(b);(b)平面圖平面圖

9、 晶體局部滑移造成的刃型位錯晶體局部滑移造成的刃型位錯螺型位錯螺型位錯CBAD(b) 螺型位錯示意圖螺型位錯示意圖: :（a a）立體模型）立體模型 ；（；（b b）平面圖）平面圖ABCD(a )螺型位錯示意圖螺型位錯示意圖3.面缺陷面缺陷 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、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。堆積層錯、鑲嵌結(jié)構(gòu)等。 面缺陷的取向及分

10、布與材料的斷裂韌性有關(guān)。面缺陷的取向及分布與材料的斷裂韌性有關(guān)。 面缺陷晶界面缺陷晶界 晶界示意圖 亞晶界示意圖n 晶界晶界: 晶界是兩相鄰晶粒間的過渡界面。由于相鄰晶粒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，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。成了晶體中的重要的面缺陷。n 亞晶界亞晶界: 實驗表明，在實際

11、金屬的一個晶粒內(nèi)部晶格位實驗表明，在實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。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。間的界面稱為亞晶界。面缺陷堆積層錯面缺陷堆積層錯面心立方晶體中的抽出型層錯面心立方晶體中的抽出型層錯(a)和插入型層錯和插入型層錯(b) 面缺陷共格晶面面缺陷共格晶面面心立方晶體中面心立方晶體中111面反映孿晶面反映孿晶熱缺陷熱缺陷雜質(zhì)缺陷雜質(zhì)缺陷二二 按缺陷產(chǎn)生的原因分類按缺陷產(chǎn)生的原因分類非化學(xué)計量缺陷非化學(xué)計量缺

12、陷晶體缺陷晶體缺陷電荷缺陷電荷缺陷輻照缺陷輻照缺陷1. 熱缺陷熱缺陷 類型類型:弗侖克爾缺陷（弗侖克爾缺陷（Frenkel defect）和肖特基缺陷）和肖特基缺陷（Schottky defect）定義定義:熱缺陷亦稱為熱缺陷亦稱為本征缺陷本征缺陷，是指由熱起伏的原因所產(chǎn)生，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）。的空位或間隙質(zhì)點（原子或離子）。熱缺陷濃度與溫度的關(guān)系熱缺陷濃度與溫度的關(guān)系:溫度升高時，熱缺陷濃度增加溫度升高時，熱缺陷濃度增加T E 熱起伏熱起伏(漲落漲落) E原子原子 E平均平均 原子原子脫離其平衡位置脫離其平衡位置 在原來位置上產(chǎn)生一個在原來位置上產(chǎn)生一個

13、空位空位熱缺陷產(chǎn)生示意圖熱缺陷產(chǎn)生示意圖（a）單質(zhì)中弗侖克爾缺陷的形）單質(zhì)中弗侖克爾缺陷的形成（空位與間隙質(zhì)點成對出現(xiàn)）成（空位與間隙質(zhì)點成對出現(xiàn)）（b）單質(zhì)中的肖特基缺陷的）單質(zhì)中的肖特基缺陷的形成形成 表面位置表面位置 (間隙小間隙小/結(jié)構(gòu)緊湊結(jié)構(gòu)緊湊) 間隙位置間隙位置 (結(jié)構(gòu)空隙大結(jié)構(gòu)空隙大)Frenkel 缺陷缺陷M X:Schottky 缺陷缺陷2. 雜質(zhì)缺陷雜質(zhì)缺陷 特征特征:如果雜質(zhì)的含量在固溶體的溶解度范圍內(nèi)，則雜質(zhì)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)。缺陷的濃度與溫度無關(guān)。雜質(zhì)缺陷對材料性能的影響雜質(zhì)缺陷對材料性能的影響定義定義:亦稱為組成缺陷，

14、是由外加雜質(zhì)的引入所產(chǎn)生的缺陷。亦稱為組成缺陷，是由外加雜質(zhì)的引入所產(chǎn)生的缺陷?；|(zhì)原子雜質(zhì)原子基質(zhì)原子雜質(zhì)原子取代式取代式 間隙式間隙式 能量效應(yīng)體積效應(yīng)體積效應(yīng)3. 非化學(xué)計量缺陷非化學(xué)計量缺陷 特點特點: 其化學(xué)組成隨周圍其化學(xué)組成隨周圍氣氛的性質(zhì)氣氛的性質(zhì)及其及其分壓大小分壓大小而變化。而變化。是一種半導(dǎo)體材料。是一種半導(dǎo)體材料。定義定義: 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。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。如如Fe1xO、Zn1+xO等晶體中的缺陷。等晶體中的缺陷。電荷缺陷

15、電荷缺陷：質(zhì)點排列的周期性未受到破壞，但因電子或空穴：質(zhì)點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；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，輻照缺陷等其它原因，如電荷缺陷，輻照缺陷等輻照缺陷輻照缺陷：材料在輻照下所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)不完整性；：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；如：色心、位錯環(huán)等；輻照缺陷對金屬的影響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高能輻照（如中子輻照），可把原子從正常格點位置撞擊出來，產(chǎn)生間隙原子和空位。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。退火可排除損失。降低金屬的導(dǎo)電性并使材料由韌變硬變脆。退火可排除損失。輻照缺陷對非金屬晶體的影響輻照缺陷對非金屬晶體的影響：在非金屬晶體中，由于電子激發(fā)態(tài)可以局在非金屬晶