晶體缺陷及其應(yīng)用

1、晶體缺陷及其應(yīng)用摘要少量晶體缺陷對于晶體的物理性能能夠產(chǎn)生重要影響，所以可以根據(jù)不同的晶體缺陷，開發(fā)利用其產(chǎn)生的影響，充分發(fā)揮可能產(chǎn)生的作用，研究并制備具有不同性能的材料，以適應(yīng)人們不同的實(shí)際需要和時(shí)代的發(fā)展需求。關(guān)鍵詞晶體缺陷性能鐵磁性電阻半導(dǎo)體材料引言在討論晶體結(jié)構(gòu)時(shí)，我們認(rèn)為晶體的結(jié)構(gòu)是三維空間內(nèi)周期有序的，其內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)按照一定的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)排列。這是一種理想的完美晶體，它在現(xiàn)實(shí)中并不存在，只作為理論研究模型。相反，偏離理想狀態(tài)的不完整晶體，即有某些缺陷的晶體，具有重要的理論研究意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。所有的天然和人工晶體都不是理想的完整晶體，它們的許多性質(zhì)往往并不決定于原子的規(guī)則排列，而決定于不

2、規(guī)則排列的晶體缺陷。晶體缺陷對晶體生長、晶體的力學(xué)性能、電學(xué)性能、磁學(xué)性能和光學(xué)性能等均有著極大影響，在生產(chǎn)上和科研中都非常重要，是固體物理、固體化學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)內(nèi)容。研究晶體缺陷因此具有了尤其重要的意義。本文著重對晶體缺陷及其對晶體的影響和應(yīng)用進(jìn)行闡述。1 .晶體缺陷的定義和分類1.1 晶體缺陷的定義在理想的晶體結(jié)構(gòu)中，所有的原子、離子或分子都處于規(guī)則的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的位置上，也就是平衡位置上。1926年Frenkel首先指出，在任一溫度下，實(shí)際晶體的原子排列都不會是完整的點(diǎn)陣，即晶體中一些區(qū)域的原子的正規(guī)排列遭到破壞而失去正常的相鄰關(guān)系。我們把實(shí)際晶體中偏離理想完整點(diǎn)陣的部位或結(jié)構(gòu)

3、稱為晶體缺陷(defectsofcrystals)1。1.2 晶體缺陷的分類1.2.1、 按缺陷的幾何形態(tài)分類可分為四類：點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷、體缺陷。.點(diǎn)缺陷(零維缺陷)：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)、間隙原子(interstitialparticle)、異類原子(foreignparticle)。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)。.線缺陷(一維缺陷)：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。線缺陷的產(chǎn)生及運(yùn)動與材料的韌性、脆性密切相

4、關(guān)。.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、相界、表面、堆積層錯(cuò)、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)。2.體缺陷也稱為三維缺陷，指晶體中在三維方向上相對尺度比較大的缺陷，和基質(zhì)晶體已經(jīng)不屬于同一物相，是異相缺陷。固體材料中最基本和最重要的晶體缺陷是點(diǎn)缺陷，包括本征缺陷和雜質(zhì)缺陷等。1.2.2、按缺陷產(chǎn)生的原因分類：熱缺陷、雜質(zhì)缺陷、非化學(xué)計(jì)量缺陷、其它原因（如電荷缺陷，輻照缺陷等）。1.熱缺陷定義: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

5、離子）。類型:弗侖克爾缺陷（Frenkeldefect）和肖脫基缺陷（Schottkydefect）熱缺陷濃度與溫度的關(guān)系：溫度升高時(shí)，熱缺陷濃度增加2.雜質(zhì)缺陷定義:亦稱為組成缺陷，是由外加雜質(zhì)的引入所產(chǎn)生的缺陷。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)。3.非化學(xué)計(jì)量缺陷定義: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。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。32.晶體缺陷對物理性能的影響缺陷的存在破壞了晶體結(jié)構(gòu)的完整，對其性能有嚴(yán)重影響。我們分別從一下個(gè)方面進(jìn)行討論。2.1晶體電阻缺陷與晶體電學(xué)性能1

6、.1晶體電阻電阻就其物理意義來說是表征電子在運(yùn)動過程中它所處的狀態(tài)被改變的幾率。實(shí)際上位于晶體陣點(diǎn)上的原子（或離子實(shí)）是不斷地振動著的，它與電子相互作用使電子狀態(tài)發(fā)生改變，因此金屬晶體有電阻，而且溫度愈高電阻愈大。而由于晶體缺陷的存在使得離子偏離平衡位置，從而使晶體存在缺陷電阻。.1.2點(diǎn)缺陷電阻缺陷根據(jù)其特性會從三方面影響晶體的周期場。（1）缺陷所在處的荷電量一般說來與基體離子的不同，故在缺陷附近形成了屏蔽場。（2）因雜質(zhì)原子與基體原子大小不同或因空位形成而使周圍原子發(fā)生位移，或因基體原子脫離點(diǎn)陣位置而成為間隙原子都會形成附加位一稱為變型位。（3）即使替代原子與基體原子的原子價(jià)相同，原子大小

7、相近，由于各自的原子位有差別，其附近的晶體周期場也會受到破壞。這些也都能產(chǎn)生相應(yīng)的電阻。此外還有位錯(cuò)電阻，但位錯(cuò)電阻至今尚未精確計(jì)算過，主要問題在于散射位的探求較困難。.2缺陷與半導(dǎo)體性能硅、楮等第4族元素的共價(jià)晶體絕對零度時(shí)為絕緣體，溫度刀高導(dǎo)電率增加但比金屬的小得多，稱這種晶體為半導(dǎo)體。晶體呈現(xiàn)半導(dǎo)體性能的根本原因是填滿電子的最高能帶與導(dǎo)帶之間的禁帶寬度很窄，溫度升高部分電子可以從滿帶躍遷到導(dǎo)帶成為傳導(dǎo)電子。晶體的半導(dǎo)體性能決定于禁帶寬度以及參與導(dǎo)電的載流子（電子或空穴）數(shù)目和它的遷移率。缺陷影響禁帶寬度和載流子數(shù)目及遷移率，因而對晶體的半導(dǎo)體性能有嚴(yán)重影響。2.2.1缺陷對半導(dǎo)體晶體能階

8、的影響硅和楮本征半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)為金剛石型。每個(gè)原子與四個(gè)近鄰原子共價(jià)結(jié)合。雜質(zhì)原子的引入或空位的形成都改變了參與結(jié)合的共價(jià)電子數(shù)目，影響晶體的能價(jià)分布。有時(shí)為了改善本征半導(dǎo)體的性能有意摻入一些三、五族元素形成摻雜半導(dǎo)體；而其他點(diǎn)缺陷如空位或除三，五族以外的別的雜質(zhì)原子原則上也會形成附近能階。位錯(cuò)對半導(dǎo)體性能影響很大，但目前只對金鋼石結(jié)構(gòu)的硅、楮中的位錯(cuò)了解得較多一點(diǎn)。2.2缺陷對載流子數(shù)目的影響點(diǎn)缺陷使能帶的禁帶區(qū)出現(xiàn)附加能階，位錯(cuò)本身又會起懸浮鍵作用，它起著施主或受主的作用，另外位錯(cuò)俘獲電子使載流子數(shù)目減少，所以半導(dǎo)體中實(shí)際載流子數(shù)目減少。2.3位錯(cuò)對鐵磁性的影響只有過渡族元素的一部分或其

9、部分化合物是鐵磁性材料。物質(zhì)的鐵磁性要經(jīng)過外磁場的磁化作用表現(xiàn)出來。能量極小原理要求磁性物質(zhì)是由磁矩取向各異的磁疇構(gòu)成。一般說來加工硬化降低磁場H的磁化作用，磁疇不可逆移動開始的磁場Ho（起始點(diǎn)的磁場強(qiáng)度）升高，而加工則使物質(zhì)的飽和磁化強(qiáng)度降低。43.晶體缺陷在半導(dǎo)體材料方面的應(yīng)用3.1ZnO過量的Zn原子可以溶解在ZnO晶體中，進(jìn)入晶格的間隙位置，形成間隙型離子缺陷，同時(shí)它把兩個(gè)電子松弛地束縛在其周圍，對外不表現(xiàn)出帶電性。但這兩個(gè)電子是亞穩(wěn)定的，很容易被激發(fā)到導(dǎo)帶中去，成為準(zhǔn)自由電子，使材料具有半導(dǎo)性。2Fe3O4Fe3O4晶體中，全部的Fe2+離子和1/2量的Fe3+離子統(tǒng)計(jì)地分布在由氧離

10、子密堆所構(gòu)成的八面體間隙中。因?yàn)樵贔e2+Fe3+Fe2+Fe3+之間可以遷移，F(xiàn)e3O4是一種本征半導(dǎo)體4。3摻雜硅半導(dǎo)體常溫下硅的導(dǎo)電性能主要由雜質(zhì)決定。在硅中摻入VA族元素雜質(zhì)（如P、As、Sb等）后，這些VA族雜質(zhì)替代了一部分硅原子的位置，但由于它們的最外層有5個(gè)價(jià)電子，其中4個(gè)與周圍硅原子形成共價(jià)鍵，多余的一個(gè)價(jià)電子便成了可以導(dǎo)電的自由電子。這樣一個(gè)VA族雜質(zhì)原子可以向半導(dǎo)體硅提供一個(gè)自由電子而本身成為帶正電的離子，通常把這種雜質(zhì)稱為施主雜質(zhì)。當(dāng)硅中摻有施主雜質(zhì)時(shí)，主要靠施主提供的電子導(dǎo)電，這種依靠電子導(dǎo)電的半導(dǎo)體被成為n型半導(dǎo)體。3.4BaTiO3半導(dǎo)瓷在BaTiO3陶瓷中，人們常

11、常加入三價(jià)或五價(jià)雜質(zhì)來取代Ba2+離子或Ti4+離子來形成n型半導(dǎo)瓷。例如，從離子半徑角度來考慮，一般使用的五價(jià)雜質(zhì)元素的離子半徑是與Ti4+離子半徑（0.064nm）相近的，如Nb5+=0.069nm,Sb5+=0.062nm,它們?nèi)菀滋娲鶷i4+離子；或者使用三價(jià)元素，如La3+=0.122nm,Ce3+=0.118nm,Nd3+=0.115nm,它們接近于Ba2+離子的半徑（0.143nm）,因而易于替代Ba2+離子5。由此可知，不管使用三價(jià)元素還是五價(jià)元素?fù)诫s，結(jié)果大都形成高價(jià)離子取代，即形成n型半導(dǎo)體。國內(nèi)外學(xué)者對物質(zhì)性能與缺陷的關(guān)系研究得相當(dāng)多，它在包括激光、光電轉(zhuǎn)換等許多方面都取得了可喜的進(jìn)展，并有很好的應(yīng)用前景。相信在作為21世紀(jì)科技高速發(fā)展的今天，晶體缺陷及其對晶體物理性質(zhì)的影響必將能更大的發(fā)揮其功效，為材料領(lǐng)域帶來可喜的成就與發(fā)展！參考文獻(xiàn)1黃昆,韓汝琦固體物理.北京: