晶體結(jié)構(gòu)缺陷

關(guān)于晶體結(jié)構(gòu)缺陷第1頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月概述晶體質(zhì)點(diǎn)的排列嚴(yán)格按照相應(yīng)的空間點(diǎn)陣排列質(zhì)點(diǎn)的排列總是或多或少的與理想點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)有所偏離理想晶體實(shí)際晶體不存在晶體結(jié)構(gòu)缺陷絕對零度下才可能出現(xiàn)第2頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月晶體缺陷點(diǎn)缺陷線缺陷面缺陷體缺陷第3頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月研究意義賦予材料性能質(zhì)點(diǎn)擴(kuò)散的動力學(xué)基礎(chǔ)研發(fā)新材料第4頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1點(diǎn)缺陷一、點(diǎn)缺陷的分類二、點(diǎn)缺陷的符號表示法三、熱缺陷濃度的計(jì)算四、點(diǎn)缺陷的化學(xué)平衡第5頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月一、點(diǎn)缺陷的分類1、根據(jù)幾何位置劃分1）填隙原子：原子進(jìn)入晶體中正常結(jié)點(diǎn)之間的間隙位置，成為填隙原子或間隙原子，如圖3-1（b）；2）空位：正常結(jié)點(diǎn)沒有被原子或離子所占據(jù)，成為空位，如圖3-1（a）；第6頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月3）雜質(zhì)原子：外來原子進(jìn)入晶格就成為晶體中的雜質(zhì)。這種雜質(zhì)原子可以取代原來晶格中的原子而進(jìn)入正常結(jié)點(diǎn)位置，這稱為取代原子，如圖3-1（d）（e），也可以進(jìn)入本來就沒有原子的間隙位置，生成間隙式雜質(zhì)原子，如圖3-1（c）。第7頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3-1點(diǎn)缺陷的種類第8頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月2、根據(jù)缺陷產(chǎn)生原因劃分1）熱缺陷：當(dāng)晶體的溫度高于絕對0K時，由于晶格內(nèi)原子熱振動，使一部分能量較大的原子離開平衡位置而造成缺陷，這種缺陷稱為熱缺陷。熱缺陷有兩種基本形式：弗侖克爾缺陷（Frenkeldefect）和肖特基缺陷(Schottkydefect)。第9頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月①弗倫克爾缺陷：在晶格熱振動時，一些能量足夠大的原子離開平衡位置后，擠到晶格點(diǎn)的間隙中，形成間隙原子，而在原來位置上形成空位，這種缺陷稱為弗侖克爾缺陷，如圖3-2（a）所示；以蘇聯(lián)物理學(xué)家雅科夫·弗侖克爾（ЯковФренкель）名字命名第10頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月②肖特基缺陷：如果正常格點(diǎn)上的原子，熱起伏的過程中獲得能量離開平衡位置遷移到晶體的表面，在晶體內(nèi)正常格點(diǎn)上留下空位，稱為肖特基缺陷，如圖3-2（b）所示。以德國物理學(xué)家沃爾特·肖特基（WalterSchottky）的名字命名第11頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月弗侖克爾缺陷弗侖克爾缺陷的特點(diǎn)：(a)間隙離子與空格點(diǎn)成對產(chǎn)生；(b)晶體的體積不發(fā)生改變。肖特基缺陷肖特基缺陷的特點(diǎn)：(a)正離子空位與負(fù)離子空位同時成對產(chǎn)生；(b)伴隨有晶體體積的增加；(c)肖特基缺陷的生成需要一個晶格上混亂的區(qū)域，如晶界、位錯、表面位置等。第12頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月2）雜質(zhì)缺陷：外來原子進(jìn)入晶體而產(chǎn)生的缺陷。包括間隙雜質(zhì)原子和取代雜質(zhì)原子。3）非化學(xué)計(jì)量結(jié)構(gòu)缺陷：有一些化合物，它們的化學(xué)組成會明顯隨著周圍氣氛的性質(zhì)和壓力大小的變化而發(fā)生組成偏離化學(xué)計(jì)量的現(xiàn)象，稱之為非化學(xué)計(jì)量缺陷，它是生成n型或p型半導(dǎo)體的基礎(chǔ)。例如：TiO2在還原氣氛下變?yōu)門iO2-x（x=0~1），這是一種n型半導(dǎo)體。第13頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月二、點(diǎn)缺陷的符號表示法缺陷化學(xué)：凡從理論上定性定量的把材料中的點(diǎn)缺陷看作化學(xué)實(shí)物，并用化學(xué)熱力學(xué)的原理來研究缺陷的產(chǎn)生、平衡及其濃度等問題的一門學(xué)科稱為缺陷化學(xué)。缺陷化學(xué)以晶體結(jié)構(gòu)中的點(diǎn)缺陷作為研究對象，并且點(diǎn)缺陷濃度不超過某一濃度值約為（0.1at%），在缺陷化學(xué)中，目前采用最廣泛的是克羅格-明克(Krǒger-Vink)符號系統(tǒng)。第14頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月克羅格-明克符號系統(tǒng)第15頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月1、缺陷符號的表示方法（以MX離子晶體為例）1）空位：VM和VX分別表示M原子空位和X原子空位，V表示缺陷種類，下標(biāo)M、X表示原子空位所在位置。2）填隙原子：Mi和Xi分別表示M及X原子處在晶格間隙位置3）錯放位置：MX表示M原子被錯放在X位置上，這種缺陷較少。離子晶體中基本點(diǎn)缺陷類型VM〞=VM+2eˊVX‥=VX+2h·第16頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月4）溶質(zhì)原子：LM表示L溶質(zhì)處在M位置，SX表示S溶質(zhì)處在X位置。例：Ca取代了MgO晶格中的Mg寫作CaMg，Ca若填隙在MgO晶格中寫作Cai。5）自由電子及電子空穴：自由電子用符號e′表示。電子空穴用符號h·表示。它們都不屬于某一個特定的原子所有，也不固定在某個特定的原子位置。第17頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月6）帶電缺陷：發(fā)生在不同價離子之間的替代。例：Ca2+取代Na+，寫作CaNa·，若Ca2+取代ZrO2晶體中的Zr4+，則寫成CaZr〞。7）締合中心：例：VM〞和VX··發(fā)生締合可以寫為：（VM〞VX‥），類似的還有(Mi‥Xi〞）等。第18頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月2、缺陷反應(yīng)方程式的寫法1）位置關(guān)系：在化合物MaXb中，M位置的數(shù)目必須永遠(yuǎn)和X位置的數(shù)目成一個常數(shù)比a:b。2）位置變化：當(dāng)缺陷發(fā)生變化時，有可能引入M空位VM，也可能把VM消除，當(dāng)引入空位或消除空位時，相當(dāng)于增加或減少了M的點(diǎn)陣位置數(shù)。討論：①VM、VX、MM、MX、XM、XX對結(jié)點(diǎn)位置數(shù)的多少有影響。

②e’、h.、Mi、Xi對結(jié)點(diǎn)位置數(shù)多少無影響。第19頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月3）質(zhì)量平衡：缺陷方程的兩邊必須保持質(zhì)量平衡。缺陷符號的下標(biāo)僅表示缺陷位置，對質(zhì)量平衡不起作用。如VM為M位置上的空位，它不存在質(zhì)量。4）電荷守恒：在缺陷反應(yīng)前后晶體必須保持電中性，即缺陷反應(yīng)式兩邊必須具有相同數(shù)目的總有效電荷。5）表面位置：當(dāng)一個M原子從晶體內(nèi)部遷移到表面時，用符號Ms來表示。下標(biāo)s表示表面位置，在缺陷化學(xué)反應(yīng)中表面位置一般不特別表示。第20頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月書寫缺陷反應(yīng)方程式的兩條基本規(guī)律：1、低價陽離子占據(jù)高價陽離子的位置，該位置帶有負(fù)電荷。為了保持電中性，會產(chǎn)生陰離子空位或間隙陽離子；2、高價陽離子占據(jù)低價陽離子位置時，該位置帶有正電荷，為了保持電中性，會產(chǎn)生陽離子空位或間隙陰離子。第21頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月舉例：例1：TiO2在還原氣氛下失去部分氧，生成TiO2-x的反應(yīng)可以寫為：第22頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月例2：CaCl2溶解在KCl中：產(chǎn)生K空位，合理Cl-進(jìn)入填隙位，不合理Ca進(jìn)入填隙位，不合理第23頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月例3：MgO溶解到Al2O3晶格內(nèi)形成有限置換型固溶體：

合理不合理第24頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月3、熱缺陷濃度的計(jì)算熱缺陷濃度與溫度的關(guān)系為：

式中——缺陷濃度，用熱缺陷在總晶格位置中所占的分?jǐn)?shù)表示，△G——缺陷形成自由焓；k——波爾茲曼常數(shù)，

k=1.38×10-23J·K-1。由此關(guān)系可見：1）熱缺陷濃度隨溫度升高呈指數(shù)上升；

2）熱缺陷濃度隨缺陷形成自由焓升高而下降。第25頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月缺陷濃度1eV2eV4eV6eV8eVn/N在100℃2×10-73×10-141×10-273×10-411×10-54n/N在500℃6×10-43×10-71×10-133×10-208×10-37n/N在800℃4×10-32×10-54×10-108×10-152×10-19n/N在1000℃1×10-21×10-41×10-81×10-121×10-16n/N在1200℃2×10-24×10-41×10-75×10-112×10-14n/N在1500℃4×10-21×10-42×10-63×10-94×10-12n/N在1800℃6×10-24×10-31×10-55×10-82×10-10n/N在2000℃8×10-26×10-34×10-52×10-71×10-9表3-1不同溫度下的缺陷濃度表第26頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2固溶體一、概述二、固溶體的分類三、置換型固溶體四、組分缺陷五、填隙型固溶體六、形成固溶體后對晶體性質(zhì)的影響第27頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月一、概述1、定義：凡在固態(tài)條件下，一種組分（溶劑）內(nèi)“溶解”了其他組分（溶質(zhì)）而形成的單一、均勻的晶態(tài)固體稱為固溶體。含量較高的組分稱為溶劑（或稱為主晶相、基質(zhì)），把摻雜原子或雜質(zhì)稱為溶質(zhì)。第28頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月注意：①結(jié)構(gòu)基元之間是以原子尺度相互混合的；②不破壞原有晶體結(jié)構(gòu)；③點(diǎn)缺陷范圍內(nèi)的晶體結(jié)構(gòu)缺陷。2、與化合物、機(jī)械混合物的區(qū)別第29頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月表3-3固溶體、機(jī)械混合物、化合物三者之間的區(qū)別固溶體機(jī)械混合物化合物形成原因以原子尺寸“溶解”生成粉末混合原子間相互反應(yīng)生成物系相數(shù)均勻單相系統(tǒng)多相系統(tǒng)均勻單相系統(tǒng)化學(xué)計(jì)量不遵循定比定律遵循定比定律結(jié)構(gòu)與原始組分中主晶體（溶劑）相同與原始組分不相同第30頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月3、研究意義：采用固溶原理來制造各種新型的無機(jī)材料①PbTiO3和PbZrO3生成的鋯鈦酸鉛壓電陶瓷Pb(ZrxTi1-x)O3材料廣泛應(yīng)用于電子、無損檢測、醫(yī)療等技術(shù)領(lǐng)域。②Si3N4與Al2O3之間形成Sialon固溶體應(yīng)用于高溫結(jié)構(gòu)材料等。第31頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月二、固溶體的分類1、按溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的位置劃分1）取代（置換）型固溶體：溶質(zhì)原子進(jìn)入晶格后可以進(jìn)入原來晶格中正常結(jié)點(diǎn)位置生成取代型固溶體。圖3-5MgO-CoO系固溶體結(jié)構(gòu)第32頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月2）填隙（間隙）型固溶體：雜質(zhì)原子如果進(jìn)入溶劑晶格中的間隙位置就生成填隙型固溶體。第33頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月2、按溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的溶解度劃分1）連續(xù)固溶體（無限固溶體、完全互溶固溶體）：溶質(zhì)和溶劑可以以任意比例相互固溶。溶劑與溶質(zhì)是相對的。圖3-6MgO-CoO系統(tǒng)相圖（連續(xù)固溶體）第34頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月2）有限固溶體（不連續(xù)固溶體、部分互溶固溶體）：溶質(zhì)只能以一定的限量溶入溶劑，超過這一限量就出現(xiàn)第二相。圖3-7MgO-CaO系統(tǒng)相圖（有限固溶體）第35頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月三、置換型固溶體二十世紀(jì)三十年代，休謨-羅杰里（Hume-Rothery）總結(jié)了若干經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，認(rèn)為生成連續(xù)置換型固溶體需符合以下條件。1、離子尺寸因素（1）如，則此系統(tǒng)有可能形成連續(xù)固溶體；第36頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）如，則它們之間只可能形成有限置換型固溶體；（3）如，則該系統(tǒng)不可能或很難形成固溶體。第37頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月2、離子晶體的結(jié)構(gòu)類型：形成連續(xù)固溶體的二元系統(tǒng)中，兩個組分必須具有相同的結(jié)構(gòu)類型。

二元系統(tǒng)中兩個組分具有相同的晶體結(jié)構(gòu)類型：MgO-NiO、Al2O3-Cr2O3、ThO2-UO2、Mg2SiO4-Fe2SiO4、PbZrO3-PbTiO3系統(tǒng)等，都能形成連續(xù)固溶體。第38頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月3、離子電價：只有離子價相同或離子價總和相等時才能形成連續(xù)置換型固溶體。

單一離子電價相等：如MgO-NiO，Al2O3-Cr2O3等系統(tǒng)；兩種以上不同離子組合起來滿足電中性取代的條件：如鈣長石Ca[Al2Si2O8]和鈉長石Na[AlSi3O8]固溶系統(tǒng)；PbZrO3-PbTiO3

系統(tǒng)。第39頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月4、電負(fù)性：電負(fù)性相近，有利于固溶體的生成，電負(fù)性差別大，傾向于生成化合物。電負(fù)性之差在±0.4

之內(nèi)是衡量固溶度大小的邊界。0.40.1565%具有很大的固溶度第40頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月四、組分缺陷（不等價置換固溶體）1、定義：在不等價置換的固溶體中，為了保持晶體的電中性，必然會在晶體結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生組分缺陷。即在原來結(jié)構(gòu)的結(jié)點(diǎn)位置產(chǎn)生空位，也可能在原來沒有結(jié)點(diǎn)的位置嵌入新的結(jié)點(diǎn)。組分缺陷僅發(fā)生在不等價置換固溶體中，其缺陷濃度取決于摻雜量和固溶度。第41頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月2、類型：（1）高價置換低價：陰離子進(jìn)入間隙或陽離子出現(xiàn)空位（2）低價置換高價：陰離子出現(xiàn)空位或陽離子進(jìn)入間隙第42頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月3、研究意義組分缺陷產(chǎn)生空位或間隙

晶格顯著畸變，晶格活化

降低難熔氧化物的燒結(jié)溫度

晶型轉(zhuǎn)變穩(wěn)定劑

不等價摻雜產(chǎn)生補(bǔ)償電子缺陷，形成n型半導(dǎo)體或p型半導(dǎo)體第43頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月五、填隙型固溶體1、形成條件1）溶質(zhì)原子的半徑小和溶劑晶格結(jié)構(gòu)空隙大容易形成填隙型固溶體。沸石＞CaF2＞TiO2＞MgO架狀結(jié)構(gòu)螢石結(jié)構(gòu)金紅石型結(jié)構(gòu)NaCl型結(jié)構(gòu)第44頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月2）形成填隙型固溶體也必須保持結(jié)構(gòu)中的電中性。形成填隙型固溶體，一般都使晶格常數(shù)增大，增加達(dá)一定程度后，使固溶體不穩(wěn)定而離解。故填隙型固溶體不可能是連續(xù)型固溶體。第45頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月2、填隙型固溶體實(shí)例1）原子填隙：金屬晶體中，原子半徑較小的H、C、B元素易進(jìn)入晶格間隙中形成填隙型固溶體。鋼就是碳在鐵中的填隙型固溶體。2）陽離子填隙：第46頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月3）陰離子填隙：類質(zhì)同象（類質(zhì)同晶）：物質(zhì)結(jié)晶時，其晶體結(jié)構(gòu)中原有離子或原子的配位位置被介質(zhì)中部分性質(zhì)相似的它種離子或原子所占有，共同結(jié)晶成均勻的呈單一相的混合晶體，但不引起鍵性和晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生質(zhì)變的現(xiàn)象。第47頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月六、形成固溶體后對晶體性質(zhì)的影響1、穩(wěn)定晶格，防止晶型轉(zhuǎn)變的發(fā)生2、活化晶格3、固溶強(qiáng)化第48頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月非化學(xué)計(jì)量化合物：普通化學(xué)中，定比定律認(rèn)為，化合物中不同原子的數(shù)量要保持固定的比例。但在實(shí)際化合物中，有一些并不符合定比定律，正負(fù)離子的比例并不是一個簡單的固定比例關(guān)系，這些化合物稱為非化學(xué)計(jì)量化合物。這是一種由于在組成上偏離化學(xué)計(jì)量而產(chǎn)生的缺陷。3.3非化學(xué)計(jì)量化合物第49頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3非化學(xué)計(jì)量化合物一、陰離子缺位型二、陽離子填隙型三、陰離子填隙型四、陽離子缺位型第50頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月一、陰離子缺位型缺氧的TiO2可以看作是四價鈦和三價鈦氧化物的固溶體，其缺陷反應(yīng)如下：

TiO2-x結(jié)構(gòu)缺陷示意圖第51頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月式中e′=TiTi′。根據(jù)質(zhì)量作用定律，平衡時：由晶體電中性條件：第52頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月TiO2-x結(jié)構(gòu)缺陷示意圖

在氧空位上捕獲兩個電子，成為一種F-色心。第53頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月色心：由于電子補(bǔ)償而引起的一種缺陷。一些晶體受到X射線、γ射線、中子或電子輻照，往往會產(chǎn)生顏色。例如，金剛石用電子轟擊，產(chǎn)生藍(lán)色；石英在反應(yīng)堆中用中子輻照后，產(chǎn)生棕色。這些顏色的產(chǎn)生是由于輻照破壞晶格，并產(chǎn)生各種類型的點(diǎn)缺陷的緣故。為在缺陷區(qū)域保持電中性，過剩的電子或過剩的正電荷（電子空穴）就處在缺陷位置上，與原子周圍的電子具有一系列允許分離的能級一樣，束縛在點(diǎn)缺陷上的電荷，也具有這樣的一組能級。這些允許能級就相當(dāng)于在可見光譜區(qū)域的光子能級，因而在缺陷位置上也就能吸收一定波長的光，這樣材料就出現(xiàn)某種顏色。研究最詳細(xì)的色心是F-色心（F-Center,由德語Farbe-Colout而得），它是由一個陰離子空位和一個在此位置上的電子組成。第54頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月二、陽離子填隙型Zn1+xO和Cd1+xO屬于這種類型：缺陷反應(yīng)式如下：

由于間隙陽離子使金屬離子過剩型結(jié)構(gòu)第55頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)質(zhì)量作用定律：在平衡時，[Zni·]=[e′]，將此關(guān)系代入上式得：與上述反應(yīng)同時進(jìn)行的還有氧化反應(yīng)：Zn(g)+1/2O2=ZnO第56頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月三、陰離子填隙型目前只發(fā)現(xiàn)UO2+x有這種缺陷產(chǎn)生。它可以看作是U2O5在UO2中的固溶體。其缺陷反應(yīng)為：等價于：

由于存在間隙陰離子，使陰離子過剩型結(jié)構(gòu)缺陷第57頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)質(zhì)量作用定律：由于[h·]=2[Oi′′]，由此可得：隨著氧分壓的提高，間隙氧濃度增大，這種類型的缺陷化合物是P型半導(dǎo)體。第58頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月四、陽離子缺位型Cu2-xO和Fe1-xO屬于這種類型。其缺陷反應(yīng)如下：

或

上式等價于：

陽離子空位的存在，引起離子過剩型結(jié)構(gòu)缺陷第59頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)質(zhì)量作用定律可得：由于[OO]≈1，[h.]=2[VFe〞]，由此可得：即隨著氧分壓增加，電子空穴濃度增大，電導(dǎo)率也相應(yīng)升高。第60頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月五、非化學(xué)計(jì)量化合物的性質(zhì)1）非化學(xué)計(jì)量化合物的產(chǎn)生及其缺陷的濃度與氣氛的性質(zhì)及氣壓的大小有關(guān)，這是它與其它缺陷不同點(diǎn)之一。2）非化學(xué)計(jì)量化合物可以看成是變價元素中的高價態(tài)與低價態(tài)氧化物之間由于環(huán)境中氧分壓的變化而形成的固溶體。第61頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月3）缺陷濃度與溫度有關(guān)，這點(diǎn)可以從平衡常數(shù)看出。隨溫度升高，缺陷濃度增加。4）非化學(xué)計(jì)量化合物都是半導(dǎo)體。這為制造半導(dǎo)體元件開辟了一個新途徑，半導(dǎo)體材料分為兩大類：一是摻雜半導(dǎo)體，如Si、Ge中摻雜B、P，Si中摻P為n型半導(dǎo)體；二是非化學(xué)計(jì)量化合物半導(dǎo)體，即上面所介紹的這幾類。第62頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月3.4位錯一、位錯的概念二、完整晶體的塑性變形方式三、位錯的基本類型第63頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月一、位錯的概念1、定義：實(shí)際晶體在結(jié)晶時，受到雜質(zhì)、溫度變化或振動產(chǎn)生的應(yīng)力作用或晶體由于受到打擊、切割等機(jī)械應(yīng)力作用，使晶體內(nèi)部原子排列變形，原子行列間相互滑移，不再符合理想晶體的有序排列，形成線狀缺陷，這種線狀缺陷稱為位錯。第64頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月2、起源：塑性變形理論滑移模型，1920線缺陷（位錯）模型,1934建立位錯理論,1956第65頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月二、完整晶體的塑性變形方式1、滑移：在外力作用下，晶體的一部分相對于另一部分，沿著一定晶面的一定晶向發(fā)生平移，使晶體面上的原子從一個平衡位置平移到另一個平衡位置，此過程稱為滑移。與此同時，晶體發(fā)生了塑性變形。第66頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月ττ滑移的結(jié)果：塑性變形，表面形成臺階。外力作用下晶體滑移示意圖（微觀）第67頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月外力作用下晶體滑移示意圖（a）滑移前；（b）滑移后單晶試棒在拉伸應(yīng)力作用下的變形（a）變形前；（b）變形后第68頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月三、位錯的基本類型晶體在不同的應(yīng)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，位錯可分為以下三種類型：1、刃位錯；2、螺位錯；3、混合位錯第69頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月1、刃位錯1）刃位錯的產(chǎn)生半原子面（EFGH）位錯線EF刃位錯示意圖第70頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月2）幾何特征①位錯線與原子滑移方向（即伯氏矢量b）相垂直；②滑移面上部位錯線周圍原子受壓應(yīng)力作用，原子間距小于正常晶格間距；③滑移面下部位錯線周圍原子受張應(yīng)力作用，原子間距大于正常晶格間距。第71頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月3）表示符號：如果半個原子面在滑移面上方，稱為正刃位錯，以符號“⊥”表示；反之稱為負(fù)刃位錯，以符號“┬”表示。符號中水平線代表滑移面，垂直線代表半個原子面。正刃位錯負(fù)刃位錯第72頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月2、螺位錯1）螺位錯的產(chǎn)生位錯線EF螺位錯形成示意圖a）與螺位錯垂直的晶面的形狀（b）螺位錯滑移面兩側(cè)晶面上原子的滑移情況第73頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月2）幾何特征①位錯線與原子滑移方向平行；②位錯線周圍原子的配置是螺旋狀的，即形成螺位錯后，原來與位錯線垂直的晶面，變?yōu)橐晕诲e線為中心軸的螺旋面。第74頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月3）表示符號

螺位錯有左、右旋之分，分別以符號“”和“”表示。其中小圓點(diǎn)代表與該點(diǎn)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。第75頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月3、混合位錯如果在外力τ作用下，兩部分之間發(fā)生相對滑移，在晶體內(nèi)部已滑移部分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。如下圖所示。位錯線上任一點(diǎn)，經(jīng)矢量分解后，可分解為刃位錯與螺位錯分量。第76頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月混合位錯（a）混合位錯的形成；（b）混合位錯分解為刃位錯與螺位錯示意圖第77頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月四、位錯的伯格斯矢量位錯線在幾何上的兩個特征：①位錯線的方向ξ，它表明給定點(diǎn)上位錯線的取向，由人們的觀察方位來決定，是人為規(guī)定的；②是位錯線的伯格斯矢量b，它表明晶體中有位錯存在時，滑移面一側(cè)質(zhì)點(diǎn)相對于另一側(cè)質(zhì)點(diǎn)的相對滑移或畸變，由伯格斯于1939年首先提出，故稱為伯格斯矢量，簡稱為伯氏矢量。

第78頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月1、位錯線與伯格斯矢量的關(guān)系1）刃位錯刃位錯的伯氏矢量與位錯線垂直，即由此可以推斷，刃位錯可以是任意形狀，但與刃位錯相聯(lián)系的半個原子面一定是平面，或者說一根刃位錯線一定在同一平面上。第79頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月各種形狀的刃位錯（a）ABCDE折線是位錯線（b）ABC折線是位錯線（c）EFGH環(huán)是位錯線第80頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月2）螺位錯螺位錯的伯格斯矢量與位錯線平行，故螺位錯線是一條直線。右型螺位