晶體缺陷對(duì)材料性能的影響現(xiàn)狀研究

晶體缺陷對(duì)材料性能的影響現(xiàn)狀研究摘要:在理想完整的晶體中，原子按照一定的次序嚴(yán)格的處在空間有規(guī)則的、周期性的格點(diǎn)上。但在實(shí)際晶體中，由于各種各樣的原因，原子排布不可能那樣完整和規(guī)則。這些與完整周期性點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的偏離就是晶體中的缺陷，它破壞了晶體的對(duì)稱性。同時(shí)缺陷的存在會(huì)對(duì)晶體產(chǎn)生或多或少的影響，本文著重研究了各類缺陷對(duì)材料性能的影響，收集了大量知名學(xué)者的研究成果，為之后的系統(tǒng)研究晶體缺陷奠定了基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：晶體缺陷；空位；材料性能EffectofcrystaldefectsonmaterialresearchAbstract:InanidealcompleteCrystalatomsaccordingtoacertainorderofstrictrulesinspace,periodiclattice.ButintheactualCrystal,duetovariousreasons,Atomicconfigurationscannotbesocompleteandrules.ThesecompletedeviationoftheperiodiclatticestructureisthedefectsintheCrystal,itdestroysthesymmetryoftheCrystal.Alsowillhavemoreorlesseffectoncrystaldefectsexist,thispaperfocusesontheinfluenceofdefectsonthepropertiesofmaterials,collectedalargenumberofwell-knownscholars'researchresults,laidthegroundworkforsystematicstudyoflatticedefects.Keywords:crystaldefects;vacancy;materialproperties晶體結(jié)構(gòu)中質(zhì)點(diǎn)排列的某種不規(guī)則性或不完善性。又稱晶格缺陷。表現(xiàn)為晶體結(jié)構(gòu)中局部范圍內(nèi)，質(zhì)點(diǎn)的排布偏離周期性重復(fù)的空間格子規(guī)律而出現(xiàn)錯(cuò)亂的現(xiàn)象。根據(jù)錯(cuò)亂排列的展布范圍,分為下列3種主要類型。(1)點(diǎn)缺陷，只涉及到大約一個(gè)原子大小范圍的晶格缺陷。它包括:晶格位置上缺失正常應(yīng)有的質(zhì)點(diǎn)而造成的空位;由于額外的質(zhì)點(diǎn)充填晶格空隙而產(chǎn)生的填隙；由雜質(zhì)成分的質(zhì)點(diǎn)替代了晶格中固有成分質(zhì)點(diǎn)的位置而引起的替位等(2)線缺陷—位錯(cuò)位錯(cuò)的概念1934年由泰勒提出到1950年才被實(shí)驗(yàn)所實(shí)具有位錯(cuò)的晶體結(jié)構(gòu)，可看成是局部晶格沿一定的原子面發(fā)生晶格的滑移的產(chǎn)物。滑移不貫穿整個(gè)晶格，晶體缺陷到晶格內(nèi)部即終止，在已滑移部分和未滑移部分晶格的分界處造成質(zhì)點(diǎn)的錯(cuò)亂排列，即位錯(cuò)。這個(gè)分界外，即已滑移區(qū)和未滑移區(qū)的交線，稱為位錯(cuò)線。(3)面缺陷，是沿著晶格內(nèi)或晶粒間的某個(gè)面兩側(cè)大約幾個(gè)原子間距范圍內(nèi)出現(xiàn)的晶格缺陷。主要包括堆垛層錯(cuò)以及晶體內(nèi)和晶體間的各種界面，如小角晶界、疇界壁、雙晶界面及晶粒間界等。晶體缺陷的產(chǎn)生原因有很多種，主要為在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，由于溫度、壓力、介質(zhì)組分濃度等變化而引起的；有的則是在晶體形成后，由于質(zhì)點(diǎn)的熱運(yùn)動(dòng)或受應(yīng)力作用而產(chǎn)生。它們可以在晶格內(nèi)遷移，以至消失；同時(shí)又可有新的缺陷產(chǎn)生。晶體缺陷的存在對(duì)晶體的性質(zhì)會(huì)產(chǎn)生明顯的影響。實(shí)際晶體或多或少都有缺陷。適量的某些點(diǎn)缺陷的存在可以大大增強(qiáng)半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性和發(fā)光材料的發(fā)光性，起到有益的作用；而位錯(cuò)等缺陷的存在，會(huì)使材料易于斷裂，比近于沒有晶格缺陷的晶體的抗拉強(qiáng)度，降低至幾十分之一。因?yàn)榫w缺陷對(duì)材料性能有很大的影響，故而國(guó)內(nèi)外對(duì)晶體缺陷的研究十分普遍，本文將對(duì)國(guó)內(nèi)外知名學(xué)者的研究結(jié)果進(jìn)行匯總，為以后細(xì)致研究晶體缺陷奠定基礎(chǔ)。1晶體缺陷對(duì)材料性能的影響研究匯總李威等[1-6]研究了摻雜?吸附和空位缺陷對(duì)碳納米管導(dǎo)熱的影響,結(jié)果表明:與完整無(wú)缺陷碳納米管相比,摻雜?吸附和空位均會(huì)導(dǎo)致碳管熱導(dǎo)率顯著下降,以及碳管軸向溫度分布在缺陷處產(chǎn)生非線性的間斷性跳躍;缺陷類型對(duì)碳管熱導(dǎo)率的影響最大,管徑次之,管長(zhǎng)影響相對(duì)最小;而空位?摻雜和吸附對(duì)碳管熱導(dǎo)率的影響力依次是減小的?于立軍等[7-10]對(duì)空位缺陷對(duì)CrSi2光電性能的影響進(jìn)行了研究結(jié)論為：Cr和Si空位均使CrSi2的晶格常數(shù)和體積變小;能帶結(jié)構(gòu)密集而平緩,且整體向上移動(dòng);Si空位缺陷形成帶隙寬度為0.35eV的p型間接帶隙半導(dǎo)體,C空位缺陷在原禁帶間出現(xiàn)兩條新的能帶;含空位缺陷CrSi2的電子態(tài)密度仍主要由Cr3d層電子貢獻(xiàn),Si空位缺陷對(duì)電子態(tài)密度的影響較小,Cr空位缺陷提高了Fermi面處的電子態(tài)密度;與CrSi2相比,含空位缺陷CrSi2的介電峰均向低能方向略有偏移且峰值降低,吸收系數(shù)明顯變小?姜躍進(jìn)等[11]研究空位缺陷對(duì)PBG型THz光子晶體光纖（PBG-TPCF）的帶隙和泄漏損耗兩種特性的影響。計(jì)算表明空位缺陷都使PBG-TPCF的帶隙寬度減少并使中心頻率不同程度地上移；最低損耗點(diǎn)由于帶隙的移動(dòng)作相應(yīng)的改變，并且泄露損耗變大。通過(guò)分析空位缺陷對(duì)帶隙和泄露損耗的影響，得出在包層比較多的情況下，空位缺陷離PBG-TPCF纖芯越遠(yuǎn)對(duì)PBG-TPCF的影響越小。仿真結(jié)果表明空位缺陷在PBG-TPCF包層的第5層時(shí)及外圍層時(shí)對(duì)PBG-TPCF的影響將很小以至于可以忽略。雷天民等[12]基于密度泛函理論框架下的第一性原理，采用平面波贗勢(shì)方法分別計(jì)算了單層MoS2中Mo空位和S空位的形成能、空位附近的晶格畸MoS2層中的電子分布以及態(tài)密度(DOS)和能帶結(jié)構(gòu)。計(jì)算結(jié)果顯示，2種空位缺陷都具有點(diǎn)缺陷特征，其附近的電子分布呈現(xiàn)出明顯的局域化特點(diǎn)，且S空位比Mo空位更容易形成。通過(guò)與本征態(tài)MoS2電子結(jié)構(gòu)的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)2種空位缺陷的存在對(duì)單層MoS2的電子結(jié)構(gòu)、尤其是對(duì)導(dǎo)帶高能量區(qū)域的能態(tài)密度會(huì)產(chǎn)生十分明顯的影響，這些影響可能與空位缺陷引入的缺陷能級(jí)有關(guān)。韓同偉等[13]采用Tersoff勢(shì)對(duì)完美的和含空位缺陷的單層石墨烯薄膜的單向拉伸力學(xué)性能進(jìn)行了分子動(dòng)力學(xué)模擬，分別研究了單個(gè)單原子空位缺陷和單個(gè)雙原子空位缺陷對(duì)扶手椅型和鋸齒型石墨烯拉伸力學(xué)性能及變形機(jī)制的影響。研究結(jié)果表明，單原子空位缺陷和雙原子空位缺陷對(duì)扶手椅型和鋸齒型石墨烯薄膜的楊氏模量沒有影響，但在一定程度上降低了拉伸強(qiáng)度和拉伸極限應(yīng)變，單原子空位缺陷和雙原子空位缺陷使拉伸強(qiáng)度降低幅度最高達(dá)8.10%和6.41%，并大幅度降低極限應(yīng)變。缺陷對(duì)石墨烯的拉伸變形破壞機(jī)制也有一定的影響。在外載作用下,新的缺陷的萌生位置均出現(xiàn)在空位缺陷附近。孫雷等[14-15]通過(guò)第一原理性贗勢(shì)法，我們研究了高自旋極化材料Fe3F4中A空位，B1空位以及B2空位對(duì)其磁電性能的影響。結(jié)果表明，產(chǎn)生A空位缺陷難B空位缺陷,變化越劇烈；鋸切末段切除層中的缺陷處具有更大的最大拉應(yīng)力。徐岳生等[25]通過(guò)化學(xué)腐蝕、金相顯微觀察、透射電子顯微鏡、掃描電鏡和X射線異常透射形貌等技術(shù)，研究了半絕緣砷化鎵單晶中的位錯(cuò)和微缺陷，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)用常規(guī)液封直拉法制備出的直徑大于或等于75mm的半絕緣砷化鎵單晶在晶體周邊區(qū)域，一般都有由高密度位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和反應(yīng)而形成的蜂窩狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并且位錯(cuò)和微缺陷之間，有著強(qiáng)烈的相互作用，位錯(cuò)吸附微缺陷，微缺陷綴飾位錯(cuò)。趙年順等[26]采用基于時(shí)域有限差分技術(shù)的數(shù)值模擬計(jì)算和時(shí)間耦合模理論，研究了引入Kerr非線性的光子晶體缺陷對(duì)的非對(duì)稱透射特性，側(cè)重于找到提高缺陷對(duì)的最大透射率及透射對(duì)比度的方法。結(jié)果表明，這種由2個(gè)不同尺寸但具有相同諧振頻率的缺陷對(duì)組成的結(jié)構(gòu)具有單向透射特性，理論分析也驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果，并且適當(dāng)錯(cuò)開兩缺陷共振頻率的位置，可以使缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)的最大透射率及透射對(duì)比度都有很大的提高。崔懷洋等[27-29]對(duì)Fe-30%Ni合金和超低碳貝氏體鋼在高溫進(jìn)行不同方式變形和保溫，通過(guò)變形、回復(fù)、與再結(jié)晶，獲得不同的晶體缺陷數(shù)量與構(gòu)型(主要是位錯(cuò)分布形態(tài))。用硼徑跡顯微照相技術(shù)研究了空冷過(guò)程中硼向晶界的非平衡偏聚及與不同形態(tài)晶體缺陷的關(guān)系。結(jié)果表明，在再結(jié)晶新晶粒冷卻時(shí)晶界偏聚明顯，晶界附近會(huì)出現(xiàn)較顯著的貧硼現(xiàn)象，而變形并回復(fù)后的原始晶粒中此現(xiàn)象不明顯，高溫回復(fù)階段形成的多邊形化亞晶界(位錯(cuò)墻)對(duì)冷卻時(shí)硼向晶界非平衡偏聚過(guò)程有明顯影響，而剛變形時(shí)形成的高密度離散分布的位錯(cuò)對(duì)冷卻時(shí)翻非平衡偏聚過(guò)程作用不明顯，硼原子偏聚過(guò)程與位錯(cuò)的相互作用對(duì)位錯(cuò)分布的形態(tài)敏感。張克從[30]就下列問(wèn)題做概括而示性闡述:晶體對(duì)稱性與其宏觀物理性能間的聯(lián)系，晶體中的電子與離子輸運(yùn)；晶體結(jié)構(gòu)與其電學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)和力學(xué)等性能的關(guān)系；晶體的結(jié)構(gòu)缺陷與其結(jié)構(gòu)敏感性能以及探索新晶體材桿的有效途徑等問(wèn)題。于進(jìn)喜等[31-36]就黃鐵礦晶體結(jié)構(gòu)中因存在缺陷，會(huì)導(dǎo)致其表面氧化反應(yīng)機(jī)理與過(guò)程發(fā)生改變，影響表面性質(zhì)，從而改變它的浮選行為。從微觀晶體結(jié)構(gòu)角度出發(fā)，通過(guò)研究結(jié)構(gòu)中缺陷的存在與擴(kuò)散規(guī)律，探討了它對(duì)黃鐵礦表面氧化的影響機(jī)理。同時(shí)，通過(guò)XPS測(cè)試技術(shù)研究了氧化表面元素的存在形式，分析了其對(duì)表面性質(zhì)的影響。結(jié)果表明：O2分子不直接參與化學(xué)反應(yīng)，而是由HO2與OH自由基捕獲電子發(fā)生化學(xué)吸附的；氧化膜內(nèi)缺陷與帶電粒子在化學(xué)位和電化學(xué)位梯度的雙重作用下發(fā)生定向遷移，促使氧化反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，導(dǎo)致黃鐵礦表面親水性增強(qiáng)。X光電子能譜(XPS)分析結(jié)果，證實(shí)了推斷的氧化機(jī)理的正確性。劉其城[37-38]的研究表示石黑晶體中存在著各種類型的缺陷，在非真空條件下，石墨晶體將自發(fā)地吸收和鑲嵌各種氣體分子和原子，這一現(xiàn)象在其晶體表面尤為突出，特別是能使被吸附物在石墨表面形成一層以化學(xué)吸附為主的薄膜，從而大大降低石墨的摩擦系數(shù)。王弘等[39-41]研究α—AIPO4晶休中缺陷對(duì)壓電振子電性能的影響。結(jié)果表明，晶片中存在包裸體，特別是氣液包裸體和電雙晶，則壓電振子的動(dòng)態(tài)電陣R：變大，機(jī)械品質(zhì)因子Qm降低。而這些缺陷村振子傾率常數(shù)沒有影響。張映斌等[42-44]研究表示多晶硅太陽(yáng)能電池組件以它顯著的綜合成本優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用。鑄錠多晶硅的晶體缺陷特征與其電池轉(zhuǎn)換效率有著強(qiáng)烈的關(guān)聯(lián)性。晶體的底部和頂部缺陷密度高，對(duì)應(yīng)的電池轉(zhuǎn)換效率低(14.5～15.5%)；晶體中部因?yàn)檩^低的缺陷密度，對(duì)應(yīng)著較高的電池轉(zhuǎn)換效率(16.5～17.5%)。同種類的晶體缺陷對(duì)電池效率的影響又不盡相同，比如位錯(cuò)等頑固性缺陷會(huì)保留至終，而間隙態(tài)金屬雜質(zhì)等可去除的缺陷則會(huì)在電池制備過(guò)程中得以消除。陳建華[45-46]利用基于密度泛函理論的第一性原理贗勢(shì)方法，計(jì)算含有硫空位和鉛空位的方鉛礦的電子結(jié)構(gòu)，并討論空位缺陷對(duì)方鉛礦可浮性的影響。計(jì)算結(jié)果表明，鉛空位缺陷使方鉛礦費(fèi)米能級(jí)降低,帶隙變窄；而硫空位缺陷則使方鉛礦費(fèi)米能級(jí)升高，帶隙變寬，同時(shí)，方鉛礦的半導(dǎo)體類型由p型變?yōu)閚型?？瘴蝗毕菀鸬碾姾刹季訑?shù)變化改變晶體中電子運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，從而影響方鉛礦的浮選行為。崔風(fēng)平[47-48]對(duì)斷面中心有裂紋缺陷的鑄坯進(jìn)行了探測(cè)和解剖分析，并對(duì)軋制后鋼板進(jìn)行探傷，依照探傷圖譜，選擇分層缺陷明顯的部位，用掃描電鏡等對(duì)其金相組織、缺陷形態(tài)和微區(qū)成分進(jìn)行分析，得出分層部位的缺陷組織主要為沿軋向分布的鐵素體帶，在其內(nèi)部沿軋向分布有條狀或片狀硫化物，是中厚板分層產(chǎn)生的主要原因。通過(guò)分析得出軋制時(shí)鑄坯內(nèi)部焊合及修復(fù)的邊界條件：硫化物尺寸控制在5μm以下，硫含量降低到0.02%以下。參考文獻(xiàn)：[1]李威,馮妍卉,張欣欣,等.摻雜?吸附和空位缺陷對(duì)碳納米管導(dǎo)熱的影響[J].化工學(xué)報(bào),2012,5:75-83.[2]HoneJ,WhitneyM,PiskotiC,ZettlA.Thermalconductivityofsingle–walledcarbonnanotubes[J].PhysicalReviewB,1999,59(4):2514-2516[3]BerberS,KwonYK,TománekD.Unusuallyhighthermalconductivityofcarbonnanotubes[J].PhysicalReviewLetters,2000,84(20):4613-4616[4]CheJianwei,IiiWAG.Thermalconductivityofcarbonnanotubes[J].Nanotechnology,2000,11(11):65-69[5]MaruyamaS.Amoleculardynamicssimulationofheatconductionofafinitelengthsingle-walledcarbonnanotube[J].NanoscaleandMicroscopeThermophysicalEngineering,2003,7(1):41-50[6]RuoffRS,LorentsDC.Mechanicalandthermalpropertiesofcarbonnanotubes[J].Carbon,1995,33(7):925-930[7]于立軍,張春紅,張忠政,等.空位缺陷對(duì)CrSi2光電性能的影響[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào),2015,5:561-566.[8]BostMC,MahanJE.AnInvestigationoftheOpticalConstantsandBandGapofChromiumDisilicide[J].JApplPhys,1988,63(3):839-844.[9]BorisenkoVE.SemiconductingSilicides[M].Berlin:Springer-Verlag,2000.[10]GalkinNG,VelichkoTA,SkripkaSV,etal.SemiconductingandStructuralPropertiesofCrSi2A-TypeEpitaxialFilmsonSi(111)[J].ThinSolidFilms,1996,280(1):211-220.[11]姜躍進(jìn),施偉華,趙巖,等.空位缺陷對(duì)PBG型THz光子晶體光纖特性的影響[J].光線光纜,2010,2.[12]雷天民,吳勝寶,張玉明,等.空位缺陷對(duì)單層MoS2電子結(jié)構(gòu)的影響[J].稀有金屬材料與工程.2015,3.[13]韓同偉,賀鵬飛,王健,等.空位缺陷對(duì)單層石墨烯薄膜拉伸力學(xué)性能的影響[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào).2010,8.[14]孫雷,董會(huì)寧,劉俊,等.空位缺陷對(duì)高自旋極化材料Fe3F4磁電性能的影響[J].重慶郵電大學(xué)學(xué)報(bào).2007,12.[15]FONGCY,QIANMC,PASKJEetal.Thecomputationaldesignofzinc-blendehalf-metalsandtheirnanostructures[J].Appl.Phys.Lett.,2004,84(2):239-241.[16]藍(lán)麗紅,陳建華,李玉瓊,等.空位缺陷對(duì)氧分子在方鉛礦(100)表面吸附的影響[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào).2012,9.[17]陳建華,王檑,陳曄,等.空位缺陷對(duì)方鉛礦電子結(jié)構(gòu)及浮選行為影響的密度泛函理論[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào),2010,20(9):1815?1821.[18]李玉瓊,陳建華,陳曄.空位缺陷黃鐵礦的電子結(jié)構(gòu)及其浮選行為[J].物理化學(xué)學(xué)報(bào),2010,5.[19]董建敏,李華,陳麗,等.間隙原子氮對(duì)化合物RE2Fe17磁性的影響[J].中國(guó)稀土學(xué)報(bào),2003,8.[20]CallawayJ,WangCS.Energybandsinferromagneticiron[J].Phys.Rev.,1977,B16(5):2095.[21]吳菊環(huán),何其平,唐雷,等.熱軋板剪切斷面中心線缺陷成因分析及其對(duì)有關(guān)性能的影響[J].四川冶金.[22]徐海光.連鑄板坯中心裂紋缺陷對(duì)鋼板質(zhì)量影響的研究.昆明鋼鐵公司,1996,5.[23]焦揚(yáng),高玉飛,畢文波,等.KDP晶體缺陷對(duì)線鋸切割應(yīng)力分布的影響[J].人工晶體學(xué)報(bào).2013,11.[24]張艷珍,孫洵,蔣曉東,等.KDP晶體體缺陷和損傷的觀測(cè)方法研究［J］．人工晶體學(xué)報(bào)，2006，35(3):546-549．[25]徐岳生,張春玲,劉彩池,等.半絕緣砷化鎵單晶中的晶體缺陷[J].半導(dǎo)體學(xué)報(bào).2003,7.[26]趙年順,蔡旭紅,等.非線性光子晶體缺陷對(duì)單向透射特性研究[J].汕頭大學(xué)學(xué)報(bào).2010,11.[27]崔懷洋,賀信菜,等.晶界非平衡偏聚與晶體缺陷構(gòu)型的關(guān)系[J].金屬學(xué)報(bào).1999,3.[28]AustKT.HannemanRE.NicessecnP,WestbrookJK.ActaMetall,1968;16:291.[29]WilliamsTH,StonehamAM,HarriesDR,MaterSci,1976;10:14.[30]張克從.晶體結(jié)構(gòu)與其性能的關(guān)系及新晶體材料的發(fā)展[J].人工晶體.1986,6.[31]于進(jìn)喜,劉文禮,張彥軍,等.晶體缺陷對(duì)黃鐵礦表面氧化以及浮選行為的影響[J].中國(guó)礦業(yè).2013,5.[32]張玉,楊志雙,張瑛,等.本溪南芬鐵礦排土場(chǎng)滑坡穩(wěn)定性研究[J].地質(zhì)與資源,2008,17(1):50-53.[33]何滿潮.滑坡地質(zhì)災(zāi)害遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)及其工程應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2009,28(6):1081-1090.[34]HEManchao,TAOZhigang,Zhangbin.ApplicationofremotemonitoringtechnologyinlandslidesintheLuoshanminingarea.MiningScienceandTechnology,2009,19(5):609-614.[35]陶志剛,張斌,何滿潮.羅山礦區(qū)滑坡災(zāi)害發(fā)生機(jī)制與監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2011,30(Supp.1):2931-2937.[36]CasesJM,KongoloM,DonatoP.InteractionbetweenFinelyGroundGalenaandPyritewithPotassiumAmylxathateinRelationtoFlotation.InfluenceofgrindingatNaturalPH.InternationalJouranalofMineralandProcessing[J].1990(30):35-67.[37]劉其城,夏金童,周聲勱,等.石墨的晶體缺陷對(duì)其潤(rùn)滑性的影響[J].炭素技術(shù),2000.[38]宋正芳.炭石墨制品的性能及應(yīng)用[J].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,19