晶体的缺陷及其在半导体中的应用
内容摘要
缺陷对晶体来说是很难被消除的，缺陷的存在会影响晶体的某些性质。晶体中的缺陷包括点缺陷、线缺陷、面缺陷以及体缺陷。不管是哪种类型的缺陷，它都会对晶体材料的性质产生影响。人们可以根据实际需要，通过人为地向晶体引入缺陷来开发制备出对人们有用的材料。该文简要介绍了缺陷的类型、定义、运动以及一些缺陷的简单应用。
【关键词】缺陷运动半导体影响
Crystal defects and the application of defects in semiconductor
Abstract
Defects in the crystal is very difficult to be eliminated, the defect will affect some properties of the crystal. Crystal defects including point defects, line defects, surface defects and bulk defects. No matter what type of defect, it will affect some properties of the crystal . People can produce some crystal material which is useful by artificially introducing defects to the crystal according to actual needs. This paper briefly describes the type of defect, definitions, sports, and some applications of defects.
【Key Words】Defects Movement Semiconductor Impact
晶体的缺陷及其在半导体中的应用
学生姓名：指导老师：
引言
金无足赤，人无完人。晶体也不例外。看似完美的晶体也有缺点。实际晶体中，组成晶体的粒子中有一部分并不是按一定的周期性有规则地排列在它们的格点位置上，而是与想象中的完美晶体有一定的偏差【1】。这种偏差产生于晶体的形成过程中，它破坏了晶体的完美结构，使其拥有了某些性质。在自然界中，完美的晶体是不存在的，人们也不能通过人工制造出完美的晶体来。人们有时候为了使材料具有某种特性，往往有意地向其中引入这种偏差。有时候晶体正是由于存在缺陷而具有某种特殊性质。研究晶体的缺陷，可以使人们更好地认识晶体，同时也可以使人们利用缺陷开发制备出具有某些特殊性质的材料，应用于生产实践当中。
一、晶体缺陷的定义和类型
（一）晶体缺陷的定义
在晶体中，组成晶体的原子、离子或分子中的一部分的排列与完整晶体的周期性结构不相一致的区域被称为晶体缺陷【1】。在任何温度下，晶体中都存在缺陷。
（二）晶体缺陷的分类
1．点缺陷
（1）定义
晶体中在空位、间隙原子或杂质原子附近的几个晶格常数范围内，晶格结构偏离格点位置而形成的畸变区域，该畸变区域的大小为原子尺度。这种畸变区域就是所谓的点缺陷。
（2）类型
晶体中典型的点缺陷可以根据它的形成机理分为热缺陷和杂质缺陷两种。
热缺陷是由晶体中原子、离子或分子的热运动而产生的在一定的环境温度下普遍存在的一种点缺陷。
热缺陷中有两种缺陷是人们在研究晶体时经常见到的，一种是夫伦克尔缺陷,另外一种是肖脱基缺陷【2】。由于组成晶体的微观粒子（原子、离子或分子）在不停地做热运动，其中的一部分粒子可以从这种运动中获得比较多的能量，用来摆脱附近其它粒子对它的吸引，从而可以离开格点位置跑到晶体内晶格的间隙位置上，变成填隙原子，把自己原来占据的格点位置空了出来，造成晶体中晶格空位和填隙原子总是成对出现，这种形式的缺陷叫做夫伦克尔缺陷。如果晶体内部格点位置上的一部分粒子从这种运动中获得了比较大的能量从而能够摆脱周围粒子的吸引，通过像接力赛那样的运动移动到表面的格点位置，造成晶体内格点不能被全部占据，有空的格点存在，这种形式的缺陷叫做肖脱基缺陷【2】。
一些微量杂质总是存在于实际晶体中，这是难以避免的。其中的外来物质有两个来源：一个来源是晶体在天然形成过程中由于外界因素的干扰，外来物质混入其中；另一个来源是在生产实践中人们为了使晶体具有某种特殊性质而人为地向其中掺入极少量
的外来物质。被掺入到晶体中的外来物质（即杂质）可以分成两类：一类是占据组成晶体的粒子的格点位置；另一类是不在正常的格点上，而是存在于格点之间。
2．线缺陷
（1）定义
晶体内部的原子在某一条线附近的排列偏离严格的周期性结构，这叫做线缺陷。
（2）类型。
最基本的类型有两种：一种叫刃位错，另一种叫螺位错。
刃位错：一个平面的原子在晶体内部的一条直线处发生断裂，在断裂处形成的缺陷。或者是晶体内多出半个平面。
图1 刃位错图
螺位错：晶体的某一部分相对于其余部分发生滑移，原子平面绕一根轴线盘旋上升，每绕轴线一周，原子面上升一个面间距，在中央轴线处形成的缺陷。
图2 螺位错图
3．面缺陷
（1）定义
晶体中点阵结构的二维缺陷叫做面缺陷。
（2）类型
层错是在结构为密堆积的晶体中，原子面的排列顺序不是按正常顺序排列所造成的面缺陷。层错又包括：
外层错——向原子面按正常顺序排列的密排结构中的任意位置加入一层原子，破坏了原来的正常结构，形成…efgefgef(e)gefg…的排列(e、f、g分别表示三个不同的排列面)
内层错——从排列顺序正常的密排结构中抽去一密排层，形成…efgefgfgefg…的
排列。
孪生——晶体中一个晶面的两侧的排列对称…efgegfegfe…的排列【2】。
晶粒间界：晶粒之间的交界区域。
4．体缺陷
晶体中相对尺寸较大的三维方向上的缺陷被称为体缺陷。
二、缺陷在晶体中的运动
（一）点缺陷的运动
点缺陷在晶体中的运动是靠原子的扩散来进行的。扩散有四种机制，它们分别是空位、间隙、复合和易位等。
（二）线缺陷的运动
位错的滑移——如果把晶体沿着滑移面分成两半，由于受到外力的作用，一半发生极微小的滑动而另一半保持不动，使得位错线在晶体内部运动直至其运动到表面，这样的后果是晶体不可能恢复到以前的状态【3】。
图3 刃位错的滑移图
图4 螺位错的滑移图
位错的攀移——在热缺陷的作用下，位错在垂直于滑移方向的运动，这样的后果是使其中的空位或者是填隙原子的数目增加或者是减少。螺位错的伯格斯矢量与它位错线平行，晶体内部没有多出来的半原子面，所以它没有攀移运动。
图5 刃位错的攀移图
三、缺陷和晶体的性能
晶体的某些特殊的性能一般不是因为其完美的周期性结构而是因为它体内存在的某种缺陷。例如缺陷的存在可以使半导体的电阻发生变化，因此可以通过控制缺陷的量来改变它的导电性。如果人们能够合理的利用缺陷，就可以使材料的某种性能得到改善和提高，进而使材料得到广泛的应用。
（一）缺陷与电阻
1．晶体电阻
我们把电子所处的状态在其运动过程中被改变的几率用电阻来表征。事实上，原子（或离子）在晶体中的格点位置上不停地做热运动——振动，它以与电子发生相互作用的方式来改变电子的状态，这就是金属晶体具有电阻的原因。由于随着温度的升高，组成晶体的原子的热运动越剧烈，因此随着温度的升高，电阻会增大。而由于缺陷使得组成晶体的原子或离子不在其格点位置，从而使缺陷电阻存在于晶体【4】。
2．点缺陷电阻
缺陷可以从以下三个方面影响晶体的周期场。第一方面：一般说来存在缺陷的地方，它的电荷量和基质离子的电荷量是不一样的，因此屏蔽场在缺陷周围产生。第二方面：杂质原子的大小与基质原子的大小不相同，附近原子由于空位的存在而发生位移，基质原子离开格点位置运动到晶格的间隙位置而成为填隙原子，这些都会形成附加位，这种附加位被称为变型位。第三方面：就算代替组成晶体的原子的杂质原子的大小和原子价都与晶体本身的原子的大小和原子价相同，又由于替代原子的原子位和组成晶体本身的原子的原子位有差别，替代原子附近的晶体周期场也会受到破坏。这些也都能使其具有电阻。
另外晶体还具有位错电阻，因为人们在探求晶体的散射位时遇到了很大的困难，目前还没有办法来解决所遇到的困难，所以目前为止还没有人对位错电阻进行过精确的计算【4】。
（二）缺陷对能级和载流子的影响
位于第四主族的硅、锗等元素是以共价键结合在一起的，形成的是原子晶体。这种类型的晶体在绝对零度时为绝缘体，导电率随温度升高有所增加，但远远没有金属晶体的电导率大。因为晶体能带中，能带与能带之间有间隙，这种间隙被称为禁带，而这类晶体的价带和导带之间的禁带的宽度比绝缘体的要窄，所以就表现出半导性【5】，因此把这种晶体称为半导体。当温度升高时，晶体内的一些电子可以从中获得一部分能量，因此它具有一定的能量穿过禁带运动到上面的空带而成为导电电子。晶体能带之间的禁带宽度、参与导电的载流子(电子或者空穴)的浓度以及它的迁移率都可以影响它的半导体性能。而晶体能带的禁带的宽度、载流子的浓度以及迁移率都会受到缺陷的影响，这就
是晶体的半导体性能很大程度上与缺陷有关的原因。
1．能级
在硅、锗的晶体中，组成这两种晶体的每个原子都是以共价键的形式与最靠近它的四个原子结合形成晶体。在晶体中留下的空位或向其中引入的杂质原子都改变了参与结合形成共价键的电子数目，从而影响晶体的能级分布。
人们可以通过向本征半导体中掺入一些第三主族或者第五主族的元素形成掺杂半
导体来达到改善其性能的目的。除了第三主族和第五主族以外的其他的杂质原子和其他点缺陷（如空位）也会在晶体中形成附近能级【5】。半导体的性能也和位错有关，但目前人们研究较多的只是晶体结构为金刚石结构的硅、锗晶体中的位错，对其他晶体结构中的位错了解甚微。
2．载流子
由于晶体中点缺陷的存在，它的能带和能带之间的区域会出现一个能级，它被称为附加能级。位错在晶体中扮演着施主或受主的角色，此外位错可以俘获电子，结果使得晶体中载流子的数目有所减少。
四、缺陷对半导体的影响
（一）半导体的定义
半导体是指电导率介于106～104（Ω·cm）-1和10-10（Ω·cm）-1之间的材料。
（二）特点及其应用
往半导体里面加入的杂质可以使半导体具有多样化的特性，使得形成P-N结，进而制备各种二极管和三极管【7】。
一些特殊的半导体的电阻会因光照而改变，这就为光敏电阻的产生提供了条件。
温差效应是一些特殊的半导体所特有的性质，特殊制冷剂就是利用这一性质来制备的。
超高速，低功耗，多功能，抗辐射等是化合物半导体所具有的优点，因此这种半导体广泛的应用于光线通信，智能化等领域。
纯净半导体材料的电阻会由于温度的变化而发生明显的变化，于是开发出了对温度敏感的电阻。
（三）掺杂对半导体性能的影响
极其少量的杂质加到半导体中就会改变它的电导率。这是由于把极少量的杂质加入其中后，外来原子干扰周围的周期势场并形成附加的束缚状态，在价带和导带之间的禁带中产生杂质能级。如果加入的是五价的杂质原子，那么在半导体中形成的这个能级存在于离导带底很近的地方。位于这个能级上的电子比价带上的电子有一定的优势，它可以很轻易地运动到靠近它的那个空带上，使空带上有了电子而成为不满的带，电子在这个带上成为载流子从而参与导电。具有这一优势是由于电子从这一杂质能级运动到靠近它的空带与电子从价带运动到这一空带相比，前者需要的能量比较小。这种杂质被称为施主，由此产生的能级被称为施主能级。如果加入的是三价的杂质原子，那么它在半导体中形成的能级存在于离价带顶很近的地方。在形成共价键时产生了一个空位，价带中的电子很容易跳到这一空位上来参与形成共价键，使原来的价带变成不满带从而参与导电。在此价带中形成一个空穴所需要的能量比本征半导体形成一个空穴所需要的能量要小得多。这种被杂质称为受主。加入第一种外来元素的半导体中参与传导电流的是电子，这种半导体被称为是N型的；加入第二种外来元素的半导体中参与传导电流的是空位，这种半导体被称为是P型的。在任何温度下，半导体都能产生电子―空穴对，因此无论是哪一种类型，其中都含有两种载流子。在这两类载流子中，数量明显比较少的称为少
数载流子，它对半导体的各种效应有重要意义【6】。
半导体的费米能级也会因为其中掺入杂质而改变，当加入不同的杂质时，这类能级的位置不同。处于热平衡状态时费米能级的位置会保持恒定不变，这就导致了半导体有许多有用的电特性。由于在N 型和P 型这两种类型的半导体中，此能级的位置不相同，但是P-N 结要求这两个能级的位置高度必须保持一致，这就造成无论是哪一种类型的半导体，其导带或价带都会被弯曲来消除这两个能级位置间的差异【5】。
五、本征点缺陷和杂质点缺陷的应用
（一）本征点缺陷
1．定义
在纯净的晶体中，当点缺陷在浓度低于1%时，它们以彼此分立的状态存在；当浓度大于1%时，它们以缺陷团的状态存在并且不能被消除，这被称为本征点缺陷。
2．应用
（1）Z n O
当锌原子的数目比较多时，它可以溶解在氧化锌晶体中，它存在于晶格之间的间隙位置上，于是间隙型离子缺陷便产生了，同时其中的两个电子很微弱地被它束缚在其周围，对外不显电性。但是被束缚住的这两个电子的状态并不是稳定的，它们非常容易获得能量而跃迁到空带的最底层中去，做为准自由电子存在于这一能带上，这样氧化锌晶体便有了半导性。
（2）34F e o
34F e o 晶体中的氧原子是以多面体的结构存在于其中的。所有的2Fe +离子全部都存在于这个结构的的间隙当中，3Fe +离子中的一半也存在于这个结构的间隙当中【4】。这
个结构是一个八面体。34F e o 之所以是一种本征半导体，是因为在2Fe + —3Fe +— 2Fe +— ……之间可以迁移。
（二）杂质点缺陷
1．杂质点缺陷的定义
晶体中由于杂质原子占据组成晶体的原子或离子的位置或者杂质原子存在于晶格间隙而产生杂质点缺陷【8】。这种缺陷只能被控制而不能被消除，它在半导体材料中是最常见的也是非常重要的。
2．杂质点缺陷的应用
N 型半导瓷是通过往3BaTiO 陶瓷中加入位于元素周期表中的第三主族或者是第五
主族的元素做为杂质原子来代替2Ba +或者是4Ti +来形成的。考虑到杂质原子的半径与3BaTiO 晶体中的离子半径的相对大小，4Ti +的半径（0.063n m ）与位于第五主族的杂质原
子的离子半径（如 5Sb +的半径为0.062n m ）是与相近的，容易被第五主族的杂质原子所替代；2Ba +的半径（0.143n m ）与周期表中第三主族的杂质原子的半径（如 3Li +=0.121nm ，3Ce +=0.117nm ，3Nd +=0.116nm ）相近，易于被第三主族的杂质原子所替代。
六、小结
到目前为止，许多学者和科研工作者已经对晶体的缺陷以及缺陷对材料性能的影响做了很多方面的研究。他们已经在光电转换等领域取得了可喜可贺的进展，这些研究成
果已经广泛应用于其他领域。在二十一世纪，材料科学发展如此迅速，人们将会对材料提出更为严格的要求。缺陷势必会在材料科学的发展中占据举足轻重的地位。
浅谈晶体缺陷及其应用 1103011036 周康粉体一班 摘要：晶体缺陷对晶体的力学性能既有有利的方面，也有不利的方面。少量晶体缺陷对于晶体的物理性能能够产生重要影响，所以可以根据不同的晶体缺陷，开发利用其产生的影响，充分发挥可能产生的作用，研究并制备具有不同性能的材料，以适应人们不同的实际需要和时代的发展需求。 关键词：晶体缺陷; 性能; 铁磁性; 电阻; 半导体材料；杂质 引言：在讨论晶体结构时，我们认为晶体的结构是三维空间内周期有序的，其内部质点按照一定的点阵结构排列。这是一种理想的完美晶体，它在现实中并不存在，只作为理论研究模型。相反，偏离理想状态的不完整晶体，即有某些缺陷的晶体，具有重要的理论研究意义和实际应用价值。所有的天然和人工晶体都不是理想的完整晶体，它们的许多性质往往并不决定于原子的规则排列，而决定于不规则排列的晶体缺陷。 晶体缺陷对晶体生长、晶体的力学性能、电学性能、磁学性能和光学性能等均有着极大影响，在生产上和科研中都非常重要，是固体物理、固体化学、材料科学等领域的重要基础内容。研究晶体缺陷因此具有了尤其重要的意义。本文着重对晶体缺陷及其对晶体的影响和应用进行阐述。 1.晶体缺陷的定义和分类 1.1 晶体缺陷的定义 在理想的晶体结构中，所有的原子、离子或分子都处于规则的点阵结构的位置上，也就是平衡位置上。1926 年弗仑克尔l首先指出，在任一温度
下，实际晶体的原子排列都不会是完整的点阵，即晶体中一些区域的原子的正规排列遭到破坏而失去正常的相邻关系。我们把实际晶体中偏离理想完整点阵的部位或结构称为晶体缺陷. 1.2 晶体缺陷的分类 1.2.1、按缺陷的几何形态分类可分为四类：点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷。 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）、间隙原子（interstitial particle）、异类原子（foreign particle）。 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。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。线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性密切相关。 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、相界、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。 固体材料中最基本和最重要的晶体缺陷是点缺陷，包括本征缺陷和杂质缺陷等。 1.2.2、按缺陷产生的原因分类： 热缺陷、杂质缺陷、非化学计量缺陷、其它原因（如电荷缺陷，辐照缺陷等）。
浅谈镁合金晶粒细化的方法和意义 重庆大学材料科学与工程学院材料科学专业 摘要 简述了镁合金的工程运用现状和细化晶粒的益处；以镁合金晶粒细化方法为主线，对镁合金在熔体阶段的过热处理、添加变质剂、物理场法、动态晶粒细化和快速凝固法，以及镁合金固态阶段的锻造、挤压、轧制和剧烈塑性变形等细化晶粒的方法进行了总结。同时，归纳了镁合金细化晶粒的意义。 关键词 镁合金 晶粒细化 熔体 固态形变 1 背景介绍 纯镁是银白色金属，熔点651℃，密度为1.74×103kg/m3，是最轻的工程金属[1]。镁合金具有密度低、比强度高、比刚度高、减振和抗冲击性能好等优点，而且还具有较好的尺寸稳定性和机械加工性能及低廉的铸造成本。在汽车、电子、通信、航空航天、国防和3C 等行业都拥有广泛的应用前景。但是镁合金密排六方的晶体结构特点，决定了在室温条件下独立滑移系少，导致室温塑性低、变形加工困难和变形容易开裂等阻碍了镁合金材料的广泛应用。其次，镁合金强度偏低，无法应用于受力较大的工程环境，也成为镁合金大规模运用的一大瓶颈。所有提高镁合金的室温塑性变形能力和强度有利于镁合金工程应用的普及和推广[2~5]。 细化晶粒是唯一可以提高金属构件强度的同时，又提高塑性的方法。根据Hall-petch 公式21 0s -+=d k y σσ，材料的强度随着晶粒尺寸的减小而增大。镁合金具有很大的系数k y ，所 有，细化晶粒能够显著的提高镁合金的强度[6]。而且，由于有细小均匀晶粒的材料发生塑性变形时，各晶粒分担一定的变形量，使变形更加均匀，位错在晶界处塞积少，应力集中小，材料开裂的倾向减小，从而提高材料的塑性。 2 晶粒细化方法 目前用于工程和科研中有很多细化镁合金晶粒的方法，笔者综合相关论文报道将镁合金晶粒细化分为两个阶段细化：熔体阶段细化和固态形变处理细化。 2.1 熔体阶段细化 2.1.1 过热处理法 过热处理是浇注前将熔体温度升高并保持一段时间后再降温至浇注温度进行浇注的工艺过程。过热处理细化晶粒的机制是过热处理过程中形成了可以作为非均质结晶核心[7]。目前广泛认同的观点是Fe 等元素在镁熔体中的溶解的随温度变化很显著，随着温度的降低，Fe 在镁中溶解度急剧降低，在过热的熔体降温时，过热难容的铁将从液相中先析出，在凝固过程中成为α-Mg 的异质形核基底。过热处理在一定程度上可以细化晶粒，但是也存在很多缺陷。例如，将熔体加热到高温镁合金熔体会因大量溶解气体和杂质而质量下降，从而降低合金的综合性能，所以，过热处理法在工业上应用很少。 2.1.2 添加变质剂 添加变质剂可以改善合金的铸造性能和加工性能，使铸件组织细小均匀，因而提高合金的强度和塑性。加入的变质剂必须满足6点：①高温下化学成分不变，在熔体中有足够的稳定性，
晶体缺陷习题与答案 1 解释以下基本概念 肖脱基空位、弗仑克尔空位、刃型位错、螺型位错、混合位错、柏氏矢量、位错密度、位错的滑移、位错的攀移、弗兰克—瑞德源、派—纳力、单位位错、不全位错、堆垛层错、汤普森四面体、位错反应、扩展位错、表面能、界面能、对称倾侧晶界、重合位置点阵、共格界面、失配度、非共格界面、内吸附。 2 指出图中各段位错的性质，并说明刃型位错部分的多余半原子面。 3 如图，某晶体的滑移面上有一柏氏矢量为b 的位错环，并受到一均匀切应力τ。(1)分析该位错环各段位错的结构类型。(2)求各段位错线所受的力的大小及方向。(3)在τ的作用下，该位错环将如何运动?(4)在τ的作用下，若使此位错环在晶体中稳定不动，其最小半径应为多大? 4 面心立方晶体中，在(111)面上的单位位错]101[2a b =，在(111)面上分解为两个肖克莱 不全位错，请写出该位错反应，并证明所形成的扩展位错的宽度由下式给出πγ242Gb s d ≈ (G 切 变模量，γ层错能)。 5 已知单位位错]011[2a 能与肖克莱不全位错]112[6a 相结合形成弗兰克不全位错，试说
明：（1）新生成的弗兰克不全位错的柏氏矢量。(2)判定此位错反应能否进行？(3)这个位错为什么称固定位错? 6 判定下列位错反应能否进行?若能进行，试在晶胞上作出矢量图。 (1)]001[]111[]111[22a a a →+ (2)]211[]112[]110[662a a a +→ (3)]111[]111[]112[263a a a →+ 7 试分析在(111)面上运动的柏氏矢量为]101[2a b =的螺位错受阻时，能否通过交滑移转 移到(111)，(111)，(111)面中的某个面上继续运动?为什么? 8 根据晶粒的位向差及其结构特点，晶界有哪些类型?有何特点属性? 9 直接观察铝试样，在晶粒内部位错密度为5×1013/m 2，如果亚晶间的角度为5o ，试估算界面上的位错间距(铝的晶格常数a=2.8×10-10m)。 1. 设铜中空位周围原子的振动频率为1013s -1，⊿Em 为0.15γTM 10-18J ，exp(⊿Sm/k)约为1，试计算在700K 和室温(27℃)时空位的迁移频率。 2. Nb 的晶体结构为bcc ，其晶格常数为0.3294nm ，密度为8.57g/cm 3，试求每106Nb 中所含空位数目。 3. Pt 的晶体结构为fcc ，其晶格常数为0.39231nm ，密度为21.45g/cm 3，试计算空位所占的格子之比例。 4. 若fcc 的Cu 中每500个原子会失去一个原子，其晶格常数为0.36153nm ，试求铜的密度。 5. 若H 原子正好能填入a-Fe 的间隙位置，而如果每200个铁原子伴随着一个H 原子，试求理论的和平均的密度与致密度(已知a-Fe a=0.286nm ，r Fe =0.1241nm ， r H =0.036nm)。
谈谈对石材缺陷的看法 晏辉 （佳廉石材集团，顺德528313） 提要：此文简要介绍了石材裂纹、色斑等天然缺陷及其质量要求，并就装修中供需双方如何评价天然问题进行了探讨，以求抛砖引玉。 随着石材在室内外装修中的日益受宠，石材生产厂家、石材供应商同石材需求方的矛盾与经济纠纷不断增多。轻则损失几万元，重则损失数十万元甚至数百万元。尤为严重的是造成石材需求方大楼装修工程的停工待料，影响大楼整个装修工程的施工进度和大楼的按期开业，这种经济损失更是无法用金钱来估价。最后的结局是石材生产厂家，石材供应商与石材需求方之间对簿公堂，弄得两败俱伤，劳民伤财，严重影响了双方各自的正常生产和经营秩序。这种石材生产加工和经营中出现的不正常经济现象，究其原因大多是由于石材的天然而引起的纠纷。如果双方之间本着互相让利，求同存异的观点出发，这种问题的解决就好办得多了。 由于石材这种物质不同于任何其它装修材料，有着独有的特殊性。众所周知，石材是经过亿万年以上各种地质作用而形成的，其形成后的外在特征是很难通过事后的方法来补救。尽管目前各种石材表面修补技术不断诞生，但其修补后的效果毕竟还是很难取代石材天然艳丽的外观效果。又由于石材的生产厂家，石材供应商，同石材需求方在对石材特性上理解的不同，这就注定了两者之间必然产生纷争。 在石材日常生产加工中，常见的石材外观的缺陷有以下几种： 裂纹：岩石中存在的细小裂隙。有明裂隙、暗裂之分。明裂是指那些裂纹明显，石材未加工前从石材荒料外表面就能看出裂纹线且裂纹线延伸较长的那类裂纹。暗裂是指那些裂纹不明显，石标未加工前从石材荒料外表面很难辨别出裂纹线且裂纹线延伸较短的那类裂纹。裂纹的产生有天然的，也有可能是因为开采石材所采取的开采方法不合理所造成的。石材裂纹普遍存在于那些米黄类的石材（如旧米黄，莎安娜米黄，西班牙米黄）及大花白，雅士白等白色类的石材中，此外像紫罗红，啡网纹等也有，从众多的生产厂家的反映看，石材裂纹较普遍存在于大理石中。 色斑（色胆）：与石材表面基本颜色不一样的斑状物质或异样物质。色斑在石材中表现为无色、浅黄色、黄色的透明晶体状物；黑色、绿色、白色、锈斑状物质。石材色斑（色胆）较普遍存在于大花白，爵士白，雅士白等白色类的石材，以及西班牙米黄、紫罗红、珊瑚红、啡网纹、紫彩麻、幻彩红、啡珠麻等色类的石材中。 黄斑（锈斑）：与石材表面基本颜色不一致的黄色斑状物，原生于石材的表面。黄斑在大花白、大花绿中较为常见，某些花岗石中也有存在。 色线：与石材表面颜色花纹不一样的条纹状，条带状物质。在石材加工中常见的表现为红色或白色的晶体线。 砂眼：天然形成的具有一定深度的凹坑，直径在2mm以下，石材砂眼较普遍存在于金花米黄、金米黄、香槟红、银线米黄以及砂石类的石材中。 孔洞：天然形成的具有一定深度的凹坑，直径在2mm以上。石材孔洞较普遍存在于西班牙米黄、啡网纹，尤以啡网纹表现最为突出。 霉斑：天然形成的绿色或暗绿色霉状物质。霉斑较普遍存在于紫罗红、银线米黄、旧米黄类的石材中。 色差：在石材的表面所呈现出的与石材基本颜色不一致的另一类颜色，同石材基本颜色在人眼中所产生的视觉差别。色差较普遍存在于米黄类（尤以西班牙米黄、旧米黄最为突出）、紫罗红、大花绿这类石材中。 考虑到石材天然存在着以上所提到石材缺陷，国家建材局颁发了天然大理石，花岗石行业标准。
一、概述 1、晶体缺陷：晶体中原子（离子、分子）排列的不规则性及不完整性。种类：点缺陷、线缺陷、面缺陷。 1) 由上图可得随着缺陷数目的增加，金属的强度下降。原因是缺陷破坏了警惕的完整性，降低了原子间结合力，从宏观上看，即随缺陷数目增加，强度下降。 2) 随着缺陷数目的增加，金属的强度增加。原因是晶体缺陷相互作用（点缺陷钉扎位错、位错交割缠结等），使位错运动的阻力增加，强度增加。 3) 由此可见，强化金属的方向有两个：一是制备无缺陷的理想晶体，其强度最高，但实际上很难；另一种是制备缺陷数目多的晶体，例如：纳米晶体，非晶态晶体等。 二、点缺陷 3、点缺陷：缺陷尺寸在三维方向上都很小且与原子尺寸相当的缺陷（或者在结点上或邻近的微观区域内偏离晶体结构正常排列的一种缺陷），称为点缺陷或零维缺陷。分类：空位、间隙原子、杂质原子、溶质原子。 4、肖特基空位：原子迁移到晶体表面或内表面正常结点位置使晶体内形成的空位。 5、弗仑克尔空位：原子离开平衡位置挤入点阵间隙形成数目相等的空位和间隙原子，该空位叫做弗仑克尔空位。 6、空位形成能EV：在晶体中取出一个原子放在晶体表面上（不改变晶体表面积和表面能）所需的能量。间隙原子形成能远大于空位形成能，所以间隙原子浓度远小于空位浓度。 7、点缺陷为热平衡缺陷，淬火、冷变形加工、高能粒子辐照可得到过饱和点缺陷。 8、复合：间隙原子和空位相遇，间隙原子占据空位导致两者同时消失，此过程成为复合。 9、点缺陷对性能的影响：点缺陷使得金属的电阻增加，体积膨胀，密度减小；使离子晶体的导电性改善。过饱和点缺陷，如淬火空位、辐照缺陷，还可以提高金属的屈服强度。 三、线缺陷 10、线缺陷：线缺陷在两个方向上尺寸很小，另外一个方向上延伸较长，也称为一维缺陷。主要为各类位错。 11、位错：位错是晶体原子排列的一种特殊组态；位错是晶体的一部分沿一定晶面与晶向发生某种有规律的错排现象；位错是已滑移区和未滑移区的分界线；位错是伯氏矢量不为零的晶体缺陷。分类：刃位错、螺位错、混合型位错。 12、刃型位错特点：a) 刃型位错有一个多余半原子面。正刃型位错和负刃型位错只有相对意义，无本质区别。 b) 位错线不一定为直线，但滑移面必定是位错线和滑移矢量确定的平面，滑移面唯一。 c) 刃型位错周围点阵发生弹性畸变，既有切应变，又有正应变。能引起材料体积变化。 d) 刃型位错位错线垂直于柏氏矢量，垂直于滑移方向，垂直于滑移矢量。位错线移动方向平行于晶体滑移方向。 e) 刃型位错属于线缺陷，位错线可以理解为晶体中已滑移区与未滑移区的边界线。 f) 刃型位错位错线不能终止于晶体内部，只能露头晶体表面或晶界。 13、螺型位错特点： a) 螺型位错无额外半个原子面，原子错排是呈轴对称的。右螺型位错和左螺型位错有本质区别。 b) 螺型位错线一定是直线，但滑移面不唯一，凡是包含螺型位错线的（原子密排）平面都可以作为他的滑移面。 c) 螺型位错周围点阵发生弹性畸变，只有平行于位错线的切应变，没有正应变。不会引起材料体积变化。 d) 螺型位错位错线平行于柏氏矢量，平行于滑移方向，平行于滑移矢量，位错线的移动方向垂直于晶体滑移方向。 e) 刃型位错属于线缺陷，位错线可以理解为晶体中已滑移区与未滑移区的边界线。 f) 螺型位错位错线不能终止于晶体内部，只能露头晶体表面或晶界。 14、混合型位错：滑移矢量既不平行也不垂直于位错线，而与位错线相交成任意角度，这种位错称为混合位错。特点：a) 混合型位错位错线既不平行也不垂直于滑移矢量，每一段混合型位错均包含刃型位错分量和螺型位错分量（可以有纯刃型位错环，没有纯螺型位错环）。 b) 混合型位错是已滑移区和未滑移区的分界线。 c) 混合型位错位错线不能终止于晶体内部，只能露头晶体表面或晶界。 15、柏氏矢量的确定： 1) 首先选定位错线的正向，一般选择出纸面方向为正向。 2) 在实际晶体中，从任一原子出发，围绕位错（避开位错线附近的严重畸变区）以一定的步数作一右旋闭合回路MNOPQ(称为柏氏回路）。 3) 在完整晶体中按同样的方向和步数作相同的回路，该回路并不封闭，由终点Q向起点M引一矢量b，使该回路闭合，这个矢量b就是实际晶体中位错的柏氏矢量。 16、右手法则：右手的拇指、食指、中指构成直角
第三章晶体结构缺陷 【例3-1】写出MgO形成肖特基缺陷的反应方程式。 【解】 MgO形成肖特基缺陷时，表面的Mg2+和O2－离子迁到表面新位置上，在晶体内部留下空位，用方程式表示为： ????该方程式中的表面位置与新表面位置无本质区别，故可以从方程两边消掉，以零O（naught）代表无缺陷状态，则肖特基缺陷方程式可简化为： 【例3-2】写出AgBr形成弗伦克尔缺陷的反应方程式。 【解】AgBr中半径小的Ag+离子进入晶格间隙，在其格点上留下空位，方程式为： 【提示】一般规律：当晶体中剩余空隙比较小，如NaCl型结构，容易形成肖特基缺陷；当晶体中剩余空隙比较大时，如萤石CaF2型结构等，容易产生弗伦克尔缺陷。 【例3-3】写出NaF加入YF3中的缺陷反应方程式。 【解】首先以正离子为基准，Na+离子占据Y3+位置，该位置带有2个单位负电荷，同时，引入的1个F－离子位于基质晶体中F－离子的位置上。按照位置关系，基质YF3中正负离子格点数之比为1/3，现在只引入了1个F－离子，所以还有2个F－离子位置空着。反应方程式为：可以验证该方程式符合上述3个原则。 ????再以负离子为基准，假设引入3个F－离子位于基质中的F－离子位置上，与此同时，引入了3个Na+离子。根据基质晶体中的位置关系，只能有1个Na+离子占据Y3+离子位置，其余2个Na+位于晶格间隙，方程式为：
????此方程亦满足上述3个原则。当然，也可以写出其他形式的缺陷反应方程式，但上述2个方程所代表的缺陷是最可能出现的。 【例3-4】写出CaCl2加入KCl中的缺陷反应方程式。 【解】以正离子为基准，缺陷反应方程式为： ????以负离子为基准，则缺陷反应方程式为： ????这也是2个典型的缺陷反应方程式，与后边将要介绍的固溶体类型相对应。 【提示】通过上述2个实例，可以得出2条基本规律： ????（1）低价正离子占据高价正离子位置时，该位置带有负电荷。为了保持电中性，会产生负离子空位或间隙正离子。 ????（2）高价正离子占据低价正离子位置时，该位置带有正电荷。为了保持电中性，会产生正离子空位或间隙负离子。 【例3-5】 TiO2在还原气氛下失去部分氧，生成非化学计量化合物TiO2-x，写出缺陷反应方程式。 【解】非化学计量缺陷的形成与浓度取决于气氛性质及其分压大小，即在一定气氛性质和压力下到达平衡。该过程的缺陷反应可用 或 方程式表示，晶体中的氧以电中性的氧分子的形式从TiO2中逸出，同时在晶体中产生带正电荷的氧空位和与其符号相反的带负电荷的来保持电中性，方程两边总有效电荷都等于零。可以看成是Ti4+被还原为Ti3+，三价Ti占据了四价Ti的位置，因而带一个单位有效负电荷。而二个Ti3+替代了二个Ti4+，
对晶体缺陷的统计热力学研究指出，在任何高于0K温度下，每一种固体化合物均存在着组成在一定范围变动的单一物相。现代晶体结构理论和实验更证明非整比化合物的存在是很普遍的现象。所有固体都有产生点缺陷的热力学趋向，这时因为缺陷的出现能使固体由有序结构变为无序，从而使嫡值增加，有缺陷的固体样品的Gibbs自由能来自嫡和熔两方面的贡献（G=H-TS），由于嫡是体系无序度的量度，因而任何实际固体（其中总有一些原子不处在它们应该出现的位置上）的嫡值都高于理想晶体。这就是说，缺陷对固体Gibbs自由能的贡献为负项。缺陷的形成通常是吸热过程（因而缺陷固体的H值较高）；但只要T＞0, Gibbs自由能在缺陷的某一浓度下将会出现极小值，即缺陷会自发形成，而且温度升高时，G的极小值向缺陷浓度更高的方向移动。这就意味着温度升高有利于缺陷的形成。 crystal defects 实际晶体中原子偏离理想的周期性排列的区域称作 。晶体缺陷在晶体中所占的总体积很小，也就是说，实际晶体中的绝大部分区域，原子排列于周期性位置上。因此，晶体缺陷是近完整晶体中的不完整性。但晶体缺陷对固体的许多结构敏感的物理量（如引起形变的临界切应力、扩散系数等）有极大的影响，晶体缺陷的研究对材料的强度、热处理等问题的研究有很重要的作用。 晶体缺陷分为：①点缺陷，包括空位、自填隙原子、代位原子、异类填隙原子等；②线缺陷，如位错；③面缺陷，如堆垛层错、孪晶界、反相畴界等，面缺陷还可以包括晶体表面、晶界和相界面（见界面）。 点缺陷图1[点缺陷的示意]是点缺陷的示意图,表示各种点缺陷的形式。热平衡状态下点缺陷浓度遵从统计物理规律 ＝exp(－/)这里[kg2]是玻耳兹曼常数;[kg2]是绝对温度;是点缺陷形成能。常用金属铁、铜、铝等的室温平衡空位浓度很小，接近熔点时的空位浓度约为10。自填隙原子形成能是空位形成能的3～4倍，其平衡浓度极小。代位原子和异类填隙
浅谈粗晶材料及其超声检测技术 安东石油技术（集团）有限公司陈先富 [摘要]本文介绍了几种常见粗晶材料的组织结构特点，理论上分析了粗晶材料晶粒度对超声检测的影响，总结了粗晶材料的现有超声检测方法。 超声检测是常规无损检测方法之一。与其他方法相比，超声检测具有灵敏度高、穿透力强、指向性好、检测速度快、成本低等优点，因此在机械制造、冶金、航空航天、石油化工、铁路运输等众多工业领域中得到了广泛应用。然而，当被检测材料的微观结构（如钢中的晶粒和铸铁中的石墨片）较大时，会造成严重的材料噪声和声波衰减，致使超声检测的高灵敏度、强穿透力等优越性严重下降。因此，提高强散射材料缺陷检出能力和信噪比是无损检测领域中的重要研究课题。 粗晶材料是超声探伤中经常遇到的强散射材料，其对超声检测能力的影响是由材料本身组织特点决定的。 1．几种常见粗晶材料 ⑴奥氏体不锈钢 工业生产中，通过向钢中添加镍、锰、氮等奥氏体化合金元素，抑制奥氏体转化温度，使常温下奥氏体相呈稳定状态，以获得奥氏体不锈钢。奥氏体钢冷却时不经过相变，常温下的晶粒就是高温时的粗大奥氏体晶粒。这使奥氏体不锈钢对超声的散射很大，散射信号作为噪声，在探伤仪屏幕上呈现草状回波，同时散射使衰减增大，缺陷信号强度大大降低。另外，奥氏体钢的热处理（如固溶处理）并不能改变其奥氏体组织，无法细化晶粒。因此，奥氏体不锈钢铸件都是粗晶粒的，很难进行超声探伤[1]。 ⑵灰铸铁 灰铸铁中含碳量高（大于2.11%），材料内部含有大量片状石墨。若进行超声检测，这些片状石墨和粗大晶粒会造成非常显著的散射回波和信号衰减，因此，通常灰铸铁件很难采用超声探伤[2]。 ⑶粗晶钛合金 相比粗晶奥氏体不锈钢和铸铁件，粗晶钛合金的晶粒要细些，晶粒度通常要小几个级别。但由于钛合金往往用在飞机发动机等重要部件中，要求检出缺陷的尺寸小，对超声检测的灵敏度要求很高。 可以看出：粗晶材料所含晶粒是影响超声检测的主要因素。 2．材料晶粒度对超声检测的影响 材料晶粒度对超声检测的影响表现在散射和衰减两个方面。 超声无损检测对象，通常是多晶体金属材料，其内部由大量随机分布的晶粒和晶界间夹杂物组成。超声信号进入材料内部，会在各种界面发生散射。 超声波散射与材料晶粒平均直径有关,当晶粒平均直径-d与波长λ的比值小 于0.1时，散射现象微弱，对超声检测不会造成大的影响；而当比值大于0.1时，散射现象将显著增强，超声检测的信噪比降低灵敏度下降。另外,超声波的散射还与材料各向异性程度、超声波频率等因素有关。在瑞利散射区，散射系数
晶体结构与晶体中的缺陷 17、Li 2O 的结构是O2-作面心立方堆积，Li +占据所有四面体空隙位置，氧离子半径为0.132nm 。求： (1)计算负离子彼此接触时，四面体空隙所能容纳的最大阳离子半径，并与书末附表Li +半径比较，说明此时O 2-能否互相接触。 (2)根据离子半径数据求晶胞参数。 (3)求Li 2O 的密度。 解：（1）如图2-2是一个四面体空隙，O 为四面体中心位置。 -++=r r AO ，-=r BC 2， -=r CE 3， 3/323/2-==r CE CG 3/62-=r AG ， OGC ?∽EFC ?，CF EF CG OG //=，6/6/-=?=r CG CF EF OG 2/6-=-=r OG AG AO ，301.0)12/6(=-=-=--+r r AO r 查表知Li r + +=0.68>0.301，∴O 2-不能互相接触； （2）体对角线=a 3=4(r ++r -)，a=4.665；（3）ρ=m/V=1.963g/cm 3 图2-2 四面体空隙 28、下列硅酸盐矿物各属何种结构类型： Mg 2[SiO 4]，K[AISi 3O 8]，CaMg[Si 2O 6]， Mg 3[Si 4O 10](OH)2，Ca 2Al[AlSiO 7]。 解：岛状；架状；单链；层状（复网）；组群（双四面体）。 23、石棉矿如透闪石Ca 2Mg 5[Si 4O 11](OH)2具有纤维状结晶习性，而滑石Mg 2[Si 4O 10](OH)2却具有片状结晶习性，试解释之。 解：透闪石双链结构，链内的Si-O 键要比链5的Ca-O 、Mg-O 键强很多，所以很容易沿链间结合力较弱处劈裂成为纤维状；滑石复网层结构，复网层由两个 [SiO4]层和中间的水镁石层结构构成，复网层与复网层之间靠教弱的分之间作用力联系，因分子间力弱，所以易沿分子间力联系处解理成片状。 24、石墨、滑石和高岭石具有层状结构，说明它们结构的区别及由此引起的性质上的差异。
本科生设计（论文） 论文题目：声子晶体在机械振动和噪声中的应用浅析姓名： 学院：海洋港口学院 专业：12机械制造及其自动化（港口）（师范）学号： 指导教师：丁红星
声子晶体在机械振动和噪声中的应用浅析 一、绪论 1.1课题背景 现代社会对噪声防治和处理的各种要求，促进了当代噪声控制工程技术的迅猛发展。工程中对噪声进行处理最常用而有效的技术措施就是安装适当的隔声材料。因此，对隔声材料进行开发研究具有十分重要的意义。 声子晶体是一种新型隔声材料，存在弹性波禁带，落在禁带范围内的弹性波在声子晶体中传播时会强烈的衰减，其衰减程度远远大于质量密度定理的预测值。因此声子晶体在噪声与振动的控制方面有着巨大的潜力。本文以声子晶体在中低频隔声的实际应用为切入点，针对布拉格散（Bragg）射型声子晶体和局域共振声子晶体，系统地研究其禁带的产生以及影响禁带特性的各种因素，通过有限元仿真与实验验证完成声子晶体在隔声功能上的应用尝试。 声子晶体复合材料的自身特性决定了其带隙影响因素的多样性，因此有必要对其带隙的影响因素进行全面的研究分析，通过对各个参数对带隙的影响情况的分析来判断声子晶体在中低频范围内隔声应用的可行性，为下一步的仿真计算和实验验证中声子晶体各参数的选择提供理论依据。 传统的隔声材料种类繁多，从定义上讲所有的对声波有阻隔作用的材料都可以称为隔声材料，实际的隔声工程实施中经常采用的隔声材料有各种金属板、石膏板、木板以及复合板材。由于它们大多都属于均匀介质结构，其隔声量都遵循质量密度定理，即材料的隔声性能与面密度有关，面密度增加一倍隔声量将会增大 6 分贝。因此要获得较好的隔声效果就必须要增加隔声材料的密度。然而在实际的应用当中，增加隔声材料密度会带来施工成本以及施工难度的急剧增大，这也限制了传统隔声材料的应用范围。因此工程应用当中对新型轻质隔声材料的需求非常迫切。 声子晶体材料是近几十年研究状况非常热门的一种新型功能性隔声材料，其本质是
浅谈半导体材料 半导体材料的发展与器件紧密相关。1941年用多晶硅材料制成检波器，是半导体材料应用的开始，1948~1950年用切克劳斯基法成功的拉出了锗单晶，并用它制成了世界上第一个具有放大性能的锗晶体三极管。1951年用四氯化硅锌还原法制出了多硅晶，1952年用直拉法成功拉出世界上第一根硅单晶，同年制出了硅结型晶体管，从而大大推进了半导体材料的广泛应用和半导体器件的飞速发展。 一．半导体材料的分类： 半导体材料是导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。半导体材料是一类具有半导体性能、可用来制作半导体器件和集成电的电子材料，电阻率约在1mΩ·cm～1GΩ·cm范围内。 半导体材料可按化学组成来分，再将结构与性能比较特殊的非晶态与液态半导体单独列为一类。按照这样分类方法可将半导体材料分为元素半导体、化合物半导体、有机半导体、固溶体半导体和非晶态与液态半导体。元素半导体大约有十几种，处于ⅢA族—ⅦA族的金属元素与非金属元素交界处，如Ge，Si，Se，Te等；化合物半导体分为二元化合物半导体和多元化合物半导体；有机半导体分为有机分子晶体、有机分子络合物、和高分子聚合物，一般指具有半导体性质的碳-碳双键有机化合物，电导率为10-10~102Ω·cm。固溶体半导体是由两个或多个晶格结构类似的元素化合物相融合而成，有二元系和三元系之分，如ⅣA-ⅣA组成的Ge-Si固溶体，ⅤA-ⅤA组成的Bi-Sb固溶体。原子排列短程有序、长程无序的半导体成为非晶态半导体，主要有非晶硅、非晶锗等。 二．半导体材料的制备工艺： 不同的半导体器件对半导体材料有不同的形态要求，包括单晶的切片、磨片、抛光片、薄膜等。半导体材料的不同形态要求对应不同的加工工艺。常用的半导体材料制备工艺有提纯、单晶的制备和薄膜外延生长。 所有的半导体材料都需要对原料进行提纯，要求的纯度在6个“9”以上，最高达11个“9”以上。提纯的方法分两大类，一类是不改变材料的化学组成进行提纯，称为物理提纯；另一类是把元素先变成化合物进行提纯，再将提纯后的化合物还原成元素，称为化学提纯。物理提纯的方法有真空蒸发、区域精制、拉晶提纯等，使用最多的是区域精制。化学提纯的主要方法有电解、络合、萃取、精
第一部分晶体结构和晶体缺陷 1.原子的负电性的定义和物理意义是什么？ 2.共价键的定义和特点是什么？ 3.金刚石结构为什么要提出杂化轨道的概念？ 4.V、VI、VII族元素仅靠共价键能否形成三维晶体？ 5.晶体结构，空间点阵，基元，B格子、单式格子和复式格子之间的关系和区别。 6.W-S元胞的主要优点，缺点各是什么？ 7.配位数的定义是什么？ 8.晶体中有哪几种密堆积，密堆积的配位数是多少？ 9.晶向指数，晶面指数是如何定义的？ 10.点对称操作的基本操作是哪几个？ 11.群的定义是什么？讨论晶体结构时引入群的目的是什么？ 12.晶体结构、B格子、所属群之间的关系如何？ 13.七种晶系和十四种B格子是根据什么划分的？ 14.肖特基缺陷、费仑克尔缺陷、点缺陷、色心、F心是如何定义的？ 15.棱(刃)位错和螺位错分别与位错线的关系如何？ 16.位错线的定义和特征如何？ 17.影响晶体中杂质替位几率的主要因素有哪些？ 18.晶体中原子空位扩散系数D与哪些因素有关？ 19.解理面是面指数低的晶面还是面指数高的晶面？为什么？ 20.为什么要提出布拉菲格子的概念？ 21.对六角晶系的晶面指数和晶向指数使用四指标表示有什么利弊？ 第二部分倒格子 1.倒格子基矢是如何定义的？ 2. 正、倒格子之间有哪些关系？ 3.原子散射因子是如何表示的，它的物理意义如何？ 4. 几何结构因子是如何表示的，它的物理意义如何？ 5. 几何结构因子S h与哪些元素有关？ 6．衍射极大的必要条件如何？ 7．什么叫消光条件？ 8．反射球是在哪个空间画的，反射球能起到什么作用，如何画反射球？ 9．常用的X光衍射方法有哪几种，各有什么基本特点？ 10．为什么要使用“倒空间”的概念？
2 晶体缺陷，固溶体合章 1、说明下列符号的含义： V Na，V Na’，V Cl?，.(V Na’V Cl?)，CaK?，CaCa，Cai?? 解：钠原子空位；钠离子空位，带一个单位负电荷；氯离子空位，带一个单位正电荷；最邻近的Na+空位、Cl-空位形成的缔合中心；Ca2+占据K.位置，带一个单位正电荷；Ca原子位于Ca原子位置上；Ca2+处于晶格间隙位置。 2、写出下列缺陷反应式： (1)NaCl溶入CaCl2中形成空位型固溶体； (2)CaCl2溶人NaC1中形成空位型固溶体； (3)NaCl形成肖脱基缺陷； (4)AgI形成弗仑克尔缺陷(Ag+进入间隙)。 解：（1）NaCl Na Ca’+ Cl Cl + V Cl· （2）CaCl2CaNa· + 2Cl Cl + V Na’ （3）O?V Na’ + V Cl· （4）AgAg?V Ag’ + Ag i· 3、弗仑克尔缺陷：晶体内部质点由于热起伏的影响,质点从正常位置位移到晶体内部的间隙位置上,正常位置上出现空位。 4、什么是肖特基缺陷、弗兰克尔缺陷？他们属于何种缺陷，发生缺陷时位置数是否发生变化？ 答：肖特基缺陷：晶体的结构基元，从正常的结点位置上位移到晶体的表面而正常位置上出现了空位，这种缺陷即是。位置数增殖，体积增大。 弗兰克尔缺陷：晶体结构中的结构基元，从正常的结点位置上位移到晶体的间隙位置上，而正常位置上出现了空位，这种缺陷即是。位置数不增殖，体积不增大。 5、什么是非化学计量化合物：化合物原子数量的比例,不符合定比定律,即非简单的固定比例关系。 6、ZrO2中加入Y2O3形成置换固溶体，写出缺陷反应式？ 答：Y2O3 -(2ZrO2)-> 2Yzr‘+3Oo+Vo，Y2O3 -(2ZrO2)-> 2YZr3++2e+3Oo+Vo。。 7、试写出少量MgO掺杂到Al2O3中和少量YF3掺杂到CaF2中的缺陷方程。（a）判断方程的合理性。（b）写出每一方程对应的固溶式。 解：3MgO2++3OO （1） 2MgO2+ +2O O（2） YF3Y?Ca+F?i+2F F （3） 2YF32Y?Ca++6F F （4） （a）书写缺陷方程首先考虑电价平衡，如方程（1）和（4）。在不等价置换时，3Mg2+→2Al3+；2Y3+→3Ca2+。这样即可写出一组缺陷方程。其次考虑不等价离子等量置换，如方程（2）和（3）2Mg2+→2Al3+；Y3+→Ca2+。这样又可写出一组缺陷方程。在这两组方程中，从结晶化学的晶体稳定性考虑，在离子晶体中除
浅谈石英晶体振荡器的发展前景 摘要：分析石英晶体振荡器的国内外发展现状、技术发展趋势和市场前景。广泛应用于融合通信、导航、卫星、雷达、测绘等领域，需求量以每年38%快速增长，未来具有广阔的市场空间。 关键词：石英晶体振荡器趋势市场 石英晶体振荡器，石英谐振器简称为晶振，它是利用具有压电效应的石英晶体片制成的。这种石英晶体薄片受到外加交变电场的作用时会产生机械振动，当交变电场的频率与石英晶体的固有频率相同时，振动便变得很强烈，这就是晶体谐振特性的反应。利用这种特性，就可以用石英谐振器取代LC（线圈和电容）谐振回路、滤波器等。由于石英谐振器具有体积小、重量轻、可靠性高、频率稳定度高等优点，被应用于家用电器和通信设备中。石英谐振器因具有极高的频率稳定性，故主要用在要求频率十分稳定的振荡电路中作谐振元件. 一、石英晶体振荡器的基本原理 1、石英晶体振荡器的结构 石英晶体振荡器是利用石英晶体（二氧化硅的结晶体）的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本构成大致是：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为晶片，它可以是正方形、矩形或圆形等），在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振。其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。 2、压电效应 若在石英晶体的两个电极上加一电场，晶片就会产生机械变形。反之，若在晶片的两侧施加机械压力，则在晶片相应的方向上将产生电场，这种物理现象称为压电效应。如果在晶片的两极上加交变电压，晶片就会产生机械振动，同时晶片的机械振动又会产生交变电场。在一般情况下，晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小，但当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大，比其他频率下的振幅大得多，这种现象称为压电谐振，它与LC回路的谐振现象十分相似。它的谐振频率与晶片的切割方式、几何形状、尺寸等有关。 3、谐振频率 从石英晶体谐振器的等效电路可知，它有两个谐振频率，即（1）当L、C、R支路发生串联谐振时，它的等效阻抗最小（等于R）。串联揩振频率用fs表示，石英晶体对于串联揩振频率fs呈纯阻性，（2）当频率高于fs时L、C、R支路呈感性，可与电容C。发生并联谐振，其并联频率用fd表示。根据石英晶体的等
1 什么叫肖特基缺陷和弗兰克耳缺陷？用Kroger-Vink 记号分别描述AgBr 中的弗兰克耳缺陷和MgO 中的肖特基缺陷形成的缺陷化学方程，写出ZnO 中掺杂Al 2O 3空位补偿和电子补偿的缺陷化学方程。 2 If cupric oxide (CuO) is exposed to reducing atmospheres at elevated temperatures, some of the Cu 2+ ions will become Cu +. (a) Under these conditions, name one crystalline defect that you would expect to form in order to maintain charge neutrality. (b) How many Cu + ions are required for the creation of each defect? (c) How would you express the chemical formula for this nonstoichiometric material? 3 (a) Suppose that Li 2O is added as an impurity to CaO. If the Li + substitutes for Ca 2+, what kind of vacancies would you expect to form? How many of these vacancies are created for every Li added? (b) Suppose that CaCl 2 is added as an impurity to CaO. If the Cl - substitutes for O 2-, what kind of vacancies would you expect to form? How many of the vacancies are created for every Cl - added? 4 纯铁的空位形成能为1.5X10-19J/atom ，将纯铁加热至850℃后激冷至室温20℃,若高温下的空位全部保留，试求过饱和空位浓度与室温平衡空位浓度的比值。 5 已知铜的晶体结构为fcc,点阵常数a=0.225nm ，切变模量210104-??=m N G ，试分别计算柏氏矢量为]121[6 ]111[2]111[3]110[2a a a a 的位错应变能。 6在图示的Cu 晶界上有一双球冠形第二相，已知Cu 的大角度晶界能为25.0m J ?， (1)分别计算当o o 90,60==θθ时Cu 与第二相之间的相界面能；
内容提要：通过讨论有代表性的氧化物、化合物和硅酸盐晶体结构， 用以掌握与本专业有关的各种晶体结构类型。介绍了实际晶体中点缺陷分 类；缺陷符号和反应平衡。固熔体分类和各类固熔体、非化学计量化学化 合物的形成条件。简述了刃位错和螺位错。 硅酸盐晶体结构是按晶体中硅氧四面体在空间的排列方式为孤岛状、组群状、链状、层装和架状五类。这五类的[SiO4]四面体中，桥氧的数目也依次由0增加到4， 非桥氧数由4减至0。硅离子是高点价低配位的阳离子。因此在硅酸盐晶体中，[SiO4] 只能以共顶方式相连，而不能以共棱或共面方式相连。表2-1列出硅酸盐晶体结构类型及实例。 表2-1 Array硅酸 盐晶 体的 结构 类型
真实晶体在高于0K的任何温度下，都或多或少地存在着对理想晶体结构的偏离，即存在着结构缺陷。晶体中的结构缺陷有点缺陷、线缺陷、面缺陷和复合缺陷之分，在无机材料中最基本和最重要的是点缺陷。 点缺陷根据产生缺陷的原因分类，可分为下列三类： （1）热缺陷（又称本征缺陷） 热缺陷有弗仑克儿缺陷和肖特基缺陷两种基本形式。 弗仑克儿缺陷是指当晶格热震动时，一些能量足够大的原子离开平衡位置而挤到晶格点的间隙中，形成间隙原子，而原来位置上形成空位，这种缺陷称为弗仑克儿缺陷。 肖特基缺陷是指如果正常格点上原子，热起伏后获得能量离开平衡位置，跃迁到晶体的表面，而在原正常格点上留下空位，这种缺陷称为肖特基缺陷。 （2）杂质缺陷（非本征缺陷） （3）非化学计量化学化合物 为了便于讨论缺陷反应，目前广泛采用克罗格-明克（Kroger-Vink）的点缺陷符号（见表2-2）。 表2-2 Kroger-Vink缺陷符号（以M2+X2-为例）
晶体微观缺陷对材料性能的影响 一、什么是晶体缺陷？ 大多数固体是晶体，晶体正是以其特殊的构型被人们最早认识。人们理解的“固体物理”主要是指晶体。在空间点阵中，用几何上规则的点来描述晶体中的原子排列，并连成格子，这些点被称为格点，格子被称为点阵，这就是空间点阵的基本思想，它是对晶体原子排列的抽象。空间点阵在晶体学理论的发展中起到了重要作用。可以说，它是晶体学理论的基础。现代的晶体理论基于晶体具有宏观平移对称性，并因此发展了空间点阵学说。严格地说对称性是一种数学上的操作，它与“空间群”的概念相联系，所谓平移对称性就是指对一空间点阵，任选一个最小基本单元，在空间三维方向进行平移，这个单元能够无一遗漏的完全复制所有空间格点。 在我们讨论晶体结构时，认为晶体的结构是三维空间内周期有序的，其内部质点按照一定的点阵结构排列。这是一种理想的完美晶体，它在现实中并不存在，只作为理论研究模型。相反，偏离理想状态的不完整晶体，即有某些缺陷的晶体，具有重要的理论研究意义和实际应用价值。在理想的晶体结构中，所有的原子、离子或分子都处于规则的点阵结构的位置上，也就是平衡位置上。1926 年Frenkel 首先指出，在任一温度下，实际晶体的原子排列都不会是完整的点阵，即晶体中一些区域的原子的正规排列遭到破坏而失去正常的相邻关系。我们把实际晶体中偏离理想完整点阵的部位或结构称为晶体缺陷。 二、晶体中有哪些常见的缺陷类型？ 缺陷是一种局部原子排列的破坏。按照破坏区域的几何形状，缺陷可以分为四类点缺陷、缺陷、面缺陷和体缺陷。 点缺陷：又称零维缺陷，缺陷尺寸处于原子大小的数量级上，在三维方向上尺寸都很小（远小于晶体或晶粒的线度），典型代表有空位、间隙原子等。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。 线缺陷：又称一维缺陷，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。包括螺型位错与刃型位错等各类位错，线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性密切相关。 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。包括晶界、相界、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。 体缺陷：又称为三维缺陷，指晶体中在三维方向上相对尺度比较大的缺陷，和基质晶体已经不属于同一物相，是异相缺陷。固体材料中最基本和最重要的晶体缺陷是点缺陷，包括本征缺陷和杂质缺陷等。 然而，按缺陷产生的原因分类，又可以分为：热缺陷、杂质缺陷、非化学计量缺陷、其它原因（如电荷缺陷，辐照缺陷等）。 热缺陷：又称为本征缺陷，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）。弗仑克尔缺陷（Frenkel defect）和肖脱基缺陷（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