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晶体结构缺陷ppt课件

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《晶体缺陷》课件

《晶体缺陷》课件

热稳定性
晶体缺陷可能影响材料在高温下的稳 定性，降低其使用温度范围。
比热容
晶体缺陷可能影响比热容，改变材料 吸收和释放热量的能力。
光学性能的影响
折射率与双折射
光吸收与散射
晶体缺陷可能导致折射率变化和双折射现 象，影响光学性能。
晶体缺陷可能导致光吸收增强或光散射增 加，改变光学透射和反射特性。
荧光与磷光
热电效应
某些晶体缺陷可能导致热电效应增强，影响 热电转换效率。
介电常数
晶体缺陷可能影响介电常数，改变电场分布 和电容。
电阻温度系数
晶体缺陷可能影响电阻温度系数，改变温度 对电阻的影响。
热学性能的影响
热导率变化
晶体缺陷可能降低材料的热导率，影 响热量传递和散热性能。
热膨胀系数
晶体缺陷可能影响热膨胀系数，影响 材料在温度变化下的尺寸稳定性。
。
韧性下降
晶体缺陷可能导致材料韧性下 降，使其在受到外力时更容易
脆裂。
疲劳性能
晶体缺陷可能影响材料的疲劳 性能，降低其循环载荷承受能
力。
强度与延展性
晶体缺陷可能影响材料的强度 和延展性，从而影响其承载能
力和塑性变形能力。
电学性能的影响
导电性变化
晶体缺陷可能改变材料的导电性，影响其在 电子设备中的应用。
传感器
基于晶体缺陷的原理，可以设计新型传感器，如压力传感 器、温度传感器和气体传感器等，以提高传感器的灵敏度 和稳定性。
在新能源领域中的应用
太阳能电池
在太阳能电池中，可以利用晶体 缺陷来提高光吸收效率和载流子 的收集效率，从而提高太阳能电
池的光电转换效率。
燃料电池
在燃料电池中，可以利用晶体缺陷 来改善电极的催化活性和耐久性， 从而提高燃料电池的性能和稳定性 。

材料科学基础--第2章晶体缺陷PPT课件

材料科学基础--第2章晶体缺陷PPT课件
辐照：在高能粒子的辐射下，金属晶体点阵上的原子 可能被击出，发生原子离位。由于离位原子的能量高， 在进入稳定间隙之前还会击出其他原子，从而形成大量 的间隙原子和空位（即弗兰克尔缺陷）。在高能粒子辐 照的情况下，由于形成大量的点缺陷，而会引起金属显 著硬化和脆化，该现象称为辐照硬化。
12
2.1.5点缺陷与材料行为
Or, there should be 2.00 – 1.9971 = 0.0029 vacancies per unit cell. The number of vacancies per cm3 is:
17
Other Point Defects
Interstitialcy - A point defect caused when a ‘‘normal’’ atom occupies an interstitial site in the crystal.
11
2.1.4 过饱和点缺陷
晶体中的点缺陷浓度可能高于平衡浓度，称为过饱和点 缺陷，或非平衡点缺陷。获得的方法：
高温淬火：将晶体加热到高温，然后迅速冷却（淬火 ），则高温时形成的空位来不及扩散消失，使晶体在低 温状态仍然保留高温状态的空位浓度，即过饱和空位。
冷加工：金属在室温下进行冷加工塑性变形也会产生 大量的过饱和空位，其原因是由于位错交割所形成的割 阶发生攀移。
6
2.1.1 分类
3.置换原子（Substitutional atom） 异类原子代换了原有晶体中的原子，而处于晶体点阵的结 点位置，称为置换原子，亦称代位原子。 各种点缺陷，都破坏了原有晶体的完整性。它们从电学
和力学这两个方面，使近邻原子失去了平衡。空位和直 径较小的置换原子，使周围原子向点缺陷的方向松弛， 间隙原子及直径较大的置换原子，把周围原子挤开一定 位置。因而在点缺陷的周围，就出现了一定范围的点阵 畸变区，或称弹性应变区。距点缺陷越远，其影响越小 。因而在每个点缺陷的周围，都会产生一个弹性应力场 。

[课件]材料科学基础 第三章晶体缺陷PPT

[课件]材料科学基础 第三章晶体缺陷PPT

2018/12/13
《材料科学基础》CAI课件-李克
11
b. 螺型位错 screw dislocation
位错线bb’：已滑移区和未滑移区的边界线
特征：
1）无额外半原子面， 原子错排是轴对称的 2）分左螺旋位错，符合左手法则；右螺旋位错 ，符合右手法则 3）位错线与滑移矢量平行，且为直线，位错线的运动方向与滑移矢量垂直 4）凡是以螺型位错线为晶带轴的晶带 所有晶面都可以为滑移面。 5) 点阵畸变引起平行于位错线的切应变，无正应变。 6）螺型位错是包含几个原子宽度的线缺陷。
2018/12/13 《材料科学基础》CAI课件-李克 9
3.2.1 位错的基本类型和特征
根据几何结构特征： a. 刃型位错 edge dislocation
b. 螺型位错 screw dislocation
2018/12/13
《材料科学基础》CAI课件-李克
10
a. 刃型位错 edge dislocation
材料科学基础 第三章_晶体缺 陷
第三章 晶体缺陷
Imperfections (defects) in Crystals
It is the defects that makes materials so interesting, just like the human being.
Defects are at the heart of materials science.
1、点缺陷的形成 （production of point defects)
原因：热运动：热振动强度是温度的函数 能量起伏=〉原子脱离原来的平衡位置而迁移别处 Schottky 空位，-〉晶体表面 =〉空位(vacancy)

材料微观结构晶体中的位错与层错课件

材料微观结构晶体中的位错与层错课件
层错的出现可以改变材料的弹性常数 和力学性能，从而影响材料的变形行 为。
位错是材料变形的微观机制之一，它 们在应力作用下运动和相互作用，导 致材料的塑性变形。
位错和层错在材料变形过程中相互作 用，共同决定材料的力学性能和变形 行为。
05
材料中的位错与层错实例
Chapter
金属材料中的位错与层错
金属材料中的位错
陶瓷材料中的位错是指晶体中原子排列发生扭曲的线状畸变区域。位错的存在对 陶瓷材料的力学性能、热学性能和电学性能等有显著影响。
陶瓷材料中的层错
陶瓷材料中的层错是指由于原子面的堆垛顺序发生改变而形成的缺陷。层错的形 成和扩展会影响陶瓷材料的塑性变形和断裂行为。
高分子材料中的位错与层错
高分子材料中的位错
层错的分类
根据层错的形成机制和特点，可以将层错分为偶 然层错和孪生层错两类。偶然层错是由于原子热 振动或应力作用形成的，而孪生层错则是通过晶 体结构中的对称操作形成的。
层错形成机制
热力学机制
在晶体生长或退火过程中，由于温度变化引起的原 子热振动可能导致原子偏离其平衡位置，形成层错 。此外，晶体中的应力场也可能导致原子排列的错 排或缺失，进而形成层错。
由于层错的存在，晶体的物理和化学 性质可能会发生变化。例如，在金属 材料中，层错的存在可能会导致材料 的强度和韧性发生变化。
层错与材料性能
机械性能
在金属材料中，层错的存在可以影响材料的强度、韧性、硬度等机械性能。由 于层错的界面特性，金属材料在受到外力作用时容易发生滑移和孪生变形，从 而提高材料的塑性和韧性。
02
理解位错与层错对 材料性能的影响。
03
学会位错与层错的 检测方法及其在材 料科学中的应用。

晶体结构缺陷83131ppt课件

晶体结构缺陷83131ppt课件

按缺陷产生的原因分类
热缺陷 杂质缺陷 非化学计量结构缺陷
本征缺陷 非本征缺陷
两种典型的热缺陷
金属晶体： Schottky 缺 陷就是金属离子空位 离子晶体：由于局部电 中性的要求，离子晶体 中的 Schottky缺陷只能是 等量的正离子空位和负 离子空位成对出现。
两种典型的热缺陷
S 由两部分组成
组态熵或混合熵SC

振 S n S ) C

在平衡时，G/n ＝ 0， 故有
d lnx ! 注意 lnx d x
( N n )! d ln G N ! n ! kT h T S n d n
点缺陷有时候对材料性能又是有利的
彩色电视荧光屏中的蓝色发光粉的主要原
料是硫化锌 (ZnS) 。在硫化锌晶体中掺入约
0.0001% AgCl，Ag+ 和 Cl 分别占据硫化锌晶体
中 Zn2+ 和 S2 的位置，形成晶格缺陷，破坏了晶
体的周期性结构，使得杂质原子周围的电子能级
与基体不同。这种掺杂的硫化锌晶体在阴极射线 的激发下可以发出波长为 450 nm 的荧光。
注意 n << N，
G n f exp N k T
式中的 Gf是缺陷形成自由焓，在此可以 近似地视作不随温度变化的常数。
G n f exp N k T
以 Schottky 缺陷为例
设构成完整单质晶体的原子数为N，在T K时形 成了 n 个孤立的空位。每个空位的形成能为 h。相应地，这个过程的自由能变化为 G， 热焓的变化为H，熵的变化为S，则可以得到
G H T S n h T S

《晶体缺陷》PPT课件

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晶体中空位
4
原子作热振动，一定温度下原子热振动能量一定，呈统计分布， 在瞬间一些能量大的原子克服周围原子对它的束缚，迁移至别处， 形成空位。
空位形成引起点阵畸变，亦会割断键力，故空位形成需能量， 空位形成能（ΔEV）为形成一个空位所需能量。
5
6．1．1 空位的热力学分析
点缺陷是热力学稳定的缺陷：点缺陷与线、面缺陷的区别 之一是后者为热力学不稳定的缺陷。在一定温度下，晶体中
空位与位错
1、点缺陷 2、线缺陷
2.1 柏氏矢量 2.2 位错的运动 2.3 位错的应力场 2.4 位错的应变能 2.5 位错的受力 2.6 位错与晶体缺陷的相互作用 2.7 位错的萌生与增值 2.8 实际晶体中的位错组态 2.9 位错的观测
晶体缺陷--点缺陷
2
6．1 空位
空位和间隙原子经常是同时出现和同时存在的两类点缺 陷，如图
22
2．柏氏矢量b的物理意义
1） 表征位错线的性质 据b与位错线的取向关系可确定位错线性质，如图6-16
2）b表征了总畸变的积累 围绕一根位错线的柏氏回路任意扩大或移动，回路中
包含的点阵畸变量的总累和不变，因而由这种畸变 总量所确定的柏氏矢量也不改变。 3）b表征了位错强度 同一晶体中b大的位错具有严重的点阵畸变，能量高且 不稳定。 位错的许多性质，如位错的能量，应力场，位错受力 等，都与b有关。
10
6．1．4 空位对金属性能的影响
1．对电阻的影响 空位引起点阵畸变，使传导电子受到散射，产生附加电阻
2．对力学性能的影响
3．对高温蠕变的影响
6．1．5 空位小结
• 1、空位是热力学稳定的缺陷 2、不同金属空位形成能不同。 3、空位浓度与空位形成能、温度密切相关

第二章 晶体的缺陷

第二章 晶体的缺陷

1. 小角度晶界
对称倾侧晶界是最简单的小角度晶界
当q很小时，晶界中位错间距D≈b/q，
当接近 10o 时，得到的位错密度太大，
模型不适用 同号位错垂直排列，刃位错的压应力场
和拉应力场抵消，能量很低
2. 大角度晶界
晶界中原子过于密集的区域为压应力区，原子过于松散的区域为拉应力区 大角度晶界晶界能较高，在 0.5-0.6J/m2，与相邻位向无关
由于晶界具有较高能量，固态相变时优先在母相晶界上形核
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(a)
10 m
(b) Si Ge
2 m 0.25 m
Si substrate

•如：Cu: 1300K, C =10-4; 室温， C =10-19 间隙平衡浓度 C′ 与上式相似，间隙原子的形成能是空位形成能的 3-4 倍，故 同一温度下间隙原子的平衡 浓度低很多－－一般晶体中的点缺陷是空位，产生 弗仑克尔空位的几率极小：Cu: 1300K, C′ =10-15
3 点缺陷对性能的影响 点缺陷使运动电子散射－－电阻增大 点缺陷 ( 空位 ) 增加－－密度减小 过饱和点缺陷－－提高金属的屈服强度
非共格界面界面能最高，半共格界面界面能居中
共格界面
半共格界面
非共格界面
Байду номын сангаас
5. 晶界特性
当晶体中存在能降低界面能的异类原子时，这些原子将向晶界偏聚－－内吸附； 晶界上原子具有较高的能量，且存在较多的晶体缺陷，使原子的扩散速度比晶 粒内部快得多； 常温下，晶界对位错运动起阻碍作用，故金属材料的晶粒越细，则单位体积晶 界面积越多，其强度，硬度越高 ； 晶界比晶内更易氧化和优先腐蚀 ； 大角度晶界界面能最高，故其晶界迁移速率最大。晶粒的长大及晶界平直化可 减少晶界总面积，使晶界 能总量下降，故 晶粒长大是能量降低过程 ，由于晶界 迁移靠原子扩散，故只有在较高温度下才能进行；

第三章缺陷化学基础PPT课件

第三章缺陷化学基础PPT课件

在三维方向上尺寸都比较大的缺陷。
一般指材料中包藏的杂质、沉淀和空洞等， 这种体缺陷对材料性能的影响一方面与它的几何 尺寸大小有关； 另一方面也与其数量、分布有关， 它们的存在常常是有害的。
--
35
ZrO2增韧莫来石陶瓷中的气 孔 (过烧引起)。这种缺陷会 导致材料性能的劣化。
--
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TiCN 颗粒增强氧化铝陶瓷中 的 TiCN 颗粒。这种人为引进 的缺陷可以改善材料的性能。
W (N n)! N!n!
因此组态熵变：
Sckln(Nn)! N!n!
根据Stirling公式， x很大时，lnx! xlnx-x，所以
Sc = k[(N+n)ln(N+n)-NlnN-nlnn]
--
40
振动熵Sv与晶体中电子能级被占据的方式有关，所以形成n个空位 体系自由能变化为：DG＝ nDEv－T(DSc＋nDSv)
--
17
3.1.1.3 杂质缺陷
由于外来质点进入晶体而产生的缺陷。
杂质的来源： （置1）换人式为和引间入隙的式杂杂质质：
例杂如质单和晶基硅质中掺的入原微子量尺的寸B、和P电b、负G性a、相In近、P时、形As成等 （2置）换晶式体杂生质长缺过陷程。中引入的杂质，如O、N、C等
半径较小的杂质原子可进入间隙位置形成间 隙式杂质缺陷。
expkt点缺陷浓度与晶体自由能关系示意图空位是一种热力学平衡缺陷即一定温度下晶体中总会有一定浓度的空位缺陷存在这时体系的能量处于最低状态也就是说具有平衡浓度的晶体比理想晶体在热力学上更稳定
第三章 缺陷化学基础
本章推荐参考书
• 苏勉曾，固体化学导论，北京大学出版社 • 崔国文编，缺陷、扩散与烧结，清华大学出版社 • B. Henderson著，范印哲译，晶体缺陷，高等教育出版
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3）错放位置：MX表示M原子被错放在X位置上， 这种缺陷较少。
离子晶体中基本点缺陷类型
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4）溶质原子：LM表示L溶质处在M位置，SX表示S溶质处 在X位置。 例：Ca取代了MgO晶格中的Mg写作CaMg， Ca若填隙在MgO晶格中写作Cai。
5）自由电子及电子空穴：自由电子用符号e′表示。电子空 穴用符号h·表示。它们都不属于某一个特定的原子所有， 也不固定在某个特定的原子位置。
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以苏联物理学家雅科夫·弗仑克尔（Яков Френкель）名字命名
①弗伦克尔缺陷：在晶格热振动时，一些能量足够大的原 子离开平衡位置后，挤到晶格点的间隙中，形成间隙原 子，而在原来位置上形成空位，这种缺陷称为弗仑克尔 缺陷，如图3-2（a）所示；
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以德国物理学家沃尔特·肖特基（Walter Schottky）的名字命名
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2、 缺陷反应方程式的写法 1）位置关系：在化合物MaXb中，M位置的数目必须永远和X位置的
数目成一个常数比a:b。 2）位置变化：当缺陷发生变化时，有可能引入M空位VM，也可能把
VM消除，当引入空位或消除空位时，相当于增加或减少了M的点 阵位置数。
讨论：①VM、VX、MM、MX、XM、XX对结点位置数的多少有影响。 ②e’、h.、Mi、Xi对结点位置数多少无影响。
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二、点缺陷的符号表示法 缺陷化学：凡从理论上定性定量的把材料中的点缺陷看作化学实物，
并用化学热力学的原理来研究缺陷的产生、平衡及其浓度等问题的 一门学科称为缺陷化学。缺陷化学以晶体结构中的点缺陷作为研究 对象，并且点缺陷浓度不超过某一浓度值约为（0.1at%），在缺陷 化学中，目前采用最广泛的是克罗格-明克(Kr ǒger-Vink) 符号系统。
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克罗格-明克符号系统
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1、 缺陷符号的表示方法 （以MX离子晶体为例）
1）空位：VM和VX分别表示M原子空位和X原子空位，V表示缺陷种类， 下标M、X表示原子空位所在位置。
VM〞=VM +2eˊ VX‥ = VX +2 h·
2）填隙原子：Mi和Xi分别表示M及X原子 处在晶格间隙位置
②肖特基缺陷：如果正常格点上的原子，热起伏的过程中 获得能量离开平衡位置迁移到晶体的表面，在晶体内正 常格点上留下空位，称为肖特基缺陷，如图3-2（b）所 示。
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弗仑克尔缺陷
肖特基缺 陷
弗仑克尔缺陷的特点：
肖特基缺陷的特点：
(a)间隙离子与空格点成对产生；(a)正离子空位与负离子空位同时成对产生；
以写为：
2T iO 2 2T iT 'iV O ••3O O1 2O 2
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6）带电缺陷：发生在不同价离子之间的替代。 例：Ca2+取代Na+，写作CaNa·，若Ca2+取代ZrO2晶体中的
Zr4+，则写成CaZr〞。 7）缔合中心：例：VM〞和VX··发生缔合可以写为：（VM
〞VX‥），类似的还有(Mi‥Xi〞）等。
VN 'aVC •l (VN 'aVC•l)
(b)晶体的体积不发生改变。 (b)伴随有晶体体积的增加；
(c)肖特基缺陷的生成需要一个晶格上
混乱的区域，如晶界、位错、表面位置等。
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2）杂质缺陷：外来原子进入晶体而产生的缺陷。包括间隙杂质原 子和取代杂质原子。
3）非化学计量结构缺陷：有一些化合物，它们的化学组成会明显 随着周围气氛的性质和压力大小的变化而发生组成偏离化学计量的 现象，称之为非化学计量缺陷，它是生成n型或p型半导体的基础。 例如：TiO2在还原气氛下变为TiO2-x（x=0~1），这是一种n型半导 体。
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书写缺陷反应方程式的两条基本规律： 1、低价阳离子占据高价阳离子的位置，该位置带有负电
荷。为了保持电中性，会产生阴离子空位或间隙阳离子； 2、高价阳离子占据低价阳离子位置时，该位置带有正电
荷，为了保持电中性，会产生阳离子空位或间隙阴离子。
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举例： 例1：TiO2在还原气氛下失去部分氧，生成TiO2-x的反应可
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7
图3-1 点缺陷的种类
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2、根据缺陷产生原因划分 1）热缺陷：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而 造成缺陷，这种缺陷称为热缺陷。热缺陷有两种基本形 式：弗仑克尔缺陷（Frenkel defect）和肖特基缺陷 (Schottky defect)。
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3）质量平衡：缺陷方程的两边必须保持质量平衡。缺陷 符号的下标仅表示缺陷位置，对质量平衡不起作用。如 VM为M位置上的空位，它不存在质量。
4）电荷守恒：在缺陷反应前后晶体必须保持电中性，即 缺陷反应式两边必须具有相同数目的总有效电荷。
5）表面位置：当一个M原子从晶体内部迁移到表面时， 用符号Ms来表示。下标s表示表面位置，在缺陷化学反 应中表面位置一般不特别表示。
第三章 晶体结构缺陷
概述 3.1 点缺陷 3.2 固溶体 3.3 非化学计量化合物 3.4 位错 3.5 面缺陷
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1
概述
晶体
质点的排列严格按照 相应的空间点阵排列
质点的排列总是或多或少的 与理想点阵结构有所偏离
理想晶体
绝对零度下 才可能出现
不存在
实际晶体 晶体结构缺陷
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成为填隙原子或间隙原子，如图3-1（b）； 2）空位：正常结点没有被原子或离子所占据，成为空位，
如图3-1（a）；
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3）杂质原子：外来原子进入晶格就成为晶体中的 杂质。这种杂质原子可以取代原来晶格中的原 子而进入正常结点位置，这称为取代原子，如 图3-1（d）（e），也可以进入本来就没有原子 的间隙位置，生成间隙式杂质原子，如图3-1 （c）。
2
晶体缺陷
点缺陷 线缺陷 面缺陷 体缺陷
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3
研究意义
赋予材料性能
质点扩散的动力学基础
研发新材料
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3.1 点缺陷
一、点缺陷的分类 二、点缺陷的符号表示法 三、热缺陷浓度的计算 四、点缺陷的化学平衡
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5
一、点缺陷的分类 1、 根据几何位置划分 1）填隙原子：原子进入晶体中正常结点之间的间隙位置，