晶体结构缺陷-第9讲

第二章晶体缺陷固体在热力学上最稳定的状态是处于0K温度时的完整晶体状态，此时，其内部能量最低。

晶体中的原子按理想的晶格点阵排列。

实际的真实晶体中，在高于0K的任何温度下，都或多或少的存在着对理想晶体结构的偏离，即存在着结构缺陷。

结构缺陷的存在及其运动规律，对固体的一系列性质和性能有着密切的关系，尤其是新型陶瓷性能的调节和应用功能的开发常常取决于对晶体缺陷类型和缺陷浓度的控制，因此掌握晶体缺陷的知识是掌握材料科学的基础。

晶体缺陷从形成的几何形态上可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。

其中点缺陷按形成原因又可分为热缺陷、组成缺陷（固溶体）和非化学计量化合物缺陷，点缺陷对材料的动力性质具有重要影响。

本章对点缺陷进行重点研究，对线缺陷的类型和基本运动规律进行简要的介绍，面缺陷的内容放在表面和界面一章中讲解。

第一节热缺陷一.热缺陷定义当晶体的温度高于绝对0K时，由于晶格内原子热振动，使一部分能量较大的原子离开平衡位置造成的缺陷。

由于质点热运动产生的缺陷称为热缺陷。

二.热缺陷产生的原因当温度高于绝对温度时，晶格中原子热振动，温度是原子平均动能的度量，部分原子的能量较高，大于周围质点的约束力时就可离开其平衡位置，形成缺陷。

三.热缺陷的基本类型1.肖特基缺陷如果表面正常格点上的原子，热起伏过程中获得能量离开平衡位置但并未离开晶体，仅迁移到晶体表面外新表面的一个位置上，在原表面格点上留下空位。

原子的迁移相当于空位的反向迁移，表面的空位移至晶体的内部。

显然，在产生肖特基缺陷晶体会增大体积。

为了维持晶体的电中性，正、负离子空位同时按化学式关系成比例产生。

2.弗伦克尔缺陷晶格热振动时，一些原子离开平衡位置后挤到晶格的间隙位置中形成间隙原子，而原来的结点形成空位。

此过程中，间隙原子与空位成对产生，晶体体积不发生变化。

四 .缺陷化学 1.缺陷表示方法在克劳格.明克符号系统中，用一个主要符号来表明缺陷的种类，用一个下标来表示缺陷的位置，缺陷的有效电荷在符号的上标表示，如“·”表示正电，“’”表示负电，“×”表示中性。

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。

晶体结构与缺陷晶体是由原子或离子按照一定的空间排列规律组成的。

晶体结构的决定因素是每个离子或原子的电荷、大小、排列方式等。

晶体中还存在各种类型的缺陷，它们对晶体的物理、化学性质产生着深刻的影响。

本文介绍晶体结构和常见的晶体缺陷类型。

晶体结构晶体结构的研究是材料科学的重要组成部分。

晶体结构的基本特征是周期性结构和各向同性。

晶体结构的周期性结构可以用晶格来描述，而各向同性则表现为晶体结构在各个方向都有相同的物理和化学性质。

晶格是晶体结构的一个重要概念，它是通过一系列点阵使晶体结构排列有序的几何体系。

晶格可以分为7种类型，分别为简单立方晶格、面心立方晶格、体心立方晶格、三斜晶系晶格、正交晶系晶格、单斜晶系晶格和六角晶系晶格。

每种晶格有其特有的周期性结构。

在晶格之上，晶体还有原子或离子，它们按照一定的规律排列，形成了晶体的基本单位——晶体胞。

不同晶体胞的形状和大小不同，但其原子或离子的排列方式是相同的。

晶体结构的描述方式可以分为两种，一种是几何描述方式，一种是结构描述方式。

几何描述方式主要是通过晶格参数来描述晶格的形态和大小，结构描述方式通过具体的晶体结构来描述晶体基本单位的排列方式。

晶体缺陷晶体缺陷是指晶体中原子在排列方式上的失序或错误。

晶体缺陷是不可避免的，因为完美的晶体无法在实验条件下合成。

晶体缺陷可以改变晶体的物理和化学性质，严重的缺陷甚至会导致晶体失去结构完整性。

常见的晶体缺陷包括点缺陷、面缺陷和体缺陷。

点缺陷是晶体结构中位置上的失序或错误，如空位、插入物和替代物等。

面缺陷包括晶界、位错和孪晶等。

体缺陷是晶体中局部形成的缺陷，如空泡、裂纹、孔洞和夹杂等。

晶体缺陷的产生有多种原因，主要包括制备过程中的失误和温度、压力等外界条件的变化。

晶体缺陷对晶体的物理和化学性质产生深刻影响，如制备材料中的一些关键性质可能由于缺陷而发生变化。

晶体结构和晶体缺陷是材料科学中的重要概念。

晶体结构的周期性结构和各向同性为晶体的物理和化学性质提供了基础保障，晶体缺陷则可以改变晶体的物理和化学性质。