天然或绝大部分人工制备的晶体都存在各种缺陷.ppt

接近Tm，1 cm3液体内，1个原子团簇含原子数小于数百个。
(1)固、液相的摩尔自由能差， 在Tm为零，＜Tm为负，＞ Tm为正；
(2) 固与液相间的界面 能，永远为正值。
V 为原子团簇的体积；A 为表面积；△GV为固、液相的摩尔自 由能差；VS为固相的摩尔体积,σ为单位面积界面能。
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S≥0，T↑ S↑ G↓
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只有引起系统自由能降低的过程才能自发地进行（热力学第二 定律），液相才有可能进行凝固。
➢在实际中可以看到液相冷却到Tm以下还保持其亚稳态而不凝固， 这一现象叫做过冷。
纯金属冷却曲线
△T愈大, GS与GL差愈大, 凝固倾 向就愈大。
Tm
T<Tm 保持亚
Tn
过冷度 稳态不凝固
△G=
16 3
3 TM2VS2 （HT）2
4 3
（r
*）2
形核功：形成临界晶核所需克服的能垒，
l/3临界晶核界面能
由系统能量起伏提供。
△T小，r*很大，要求大△G *。能量起伏愈大出现的几率愈
晶胚出现的几率 小，虽凝固热力学条件已具备，但形核可能性仍很小。
△T增大，r*显著减小，要求△G*减小，晶胚出现的几率就
通常f≤10％
c为液相比热容；△H为凝固潜热
例 纯铜△H=1628J/cm3，比热容4. 4J / (cm·℃） 均匀形核的最大△T为236 ℃，则f=0.638 ； △T=10℃，则f=0.027。
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5.5 铸锭的组织
铸锭三晶区: 表层细晶区、中间柱状晶区、心部等轴晶区
细晶粒区的形成: 当液态金属浇入温度远低于其熔点的铸 模时，与模壁接触的一层液体的温度迅速 低到熔点以下，因而可以大量地形核，并 长大成为表层的细晶粒区。

材料科学根底第2章晶体缺 陷幻灯片PPT
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外外表是非常粗糙的，比材料内部活性更大。 纳米构造材料〔超细粉体与纳米材料、多孔材料和凝胶
和堆垛层错和孪晶界相比，界面能高的晶界阻碍滑移的 能力最强。
界面能(10－7 ) 堆垛层错 孪晶界 晶界
表2-5 金属中面缺陷的界面能
Al
Cu
Pt
Fe
200
75
95
-
120
45
195
190
625
645
1000
Байду номын сангаас
780
12
图2-25 对一个完整晶体施加应力〔a〕引起原子移动〔b〕产生孪晶，注意 由此，晶体而产生相应的变形〔c〕黄铜内部的孪晶的显微形貌(×250)
Figure 2-25 Application of a stress to the perfect crystal (a) may cause a displacement of the atoms, (b) causing the formation of a twin. Note that the crystal has deformed as a result of twinning.
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堆垛层错〔层错〕，就是晶体中的原子按正常堆垛次序 发生了过失而出现的面缺陷。
堆垛层错破坏了晶体的正常周期，从而增加了晶体的能 量。通常把产生单位面积层错所需的能量称为层错能。 它主要是在电子学方面的影响，晶体中并不产生点阵畸 变，畸变能可以不计。因此，层错能的能量比晶界能量 要低得多。堆垛层错对滑移有阻碍作用。

式中，UScho就是形成一个Schottky 缺陷时所需的能量，相应nScho为空位数。
若用1mol作空位单位，则UScho就为形成1mol空位时所需的能量，这时常 数k则改为R（R=k N0）。
Frenkel 缺陷：该缺陷是空位和间隙原子成对出现，合并式（3-11）
和（3-12），则有： nFren = N Exp（UFren /kT） 3-14 式中，UFren=U1 +U2，就是形成一个空位和一个间隙缺陷时所需的能量， 同样用1mol 作缺陷浓度单位式，就是形成1mol空位和间陷 NaCl 温度800℃ nScho=10-9～10-4 UScho=2（ev） n/N=10-10 Al 温度600℃ nScho=10-4 UScho=0.6（ev） n/N=10-1 金属铜 空位缺陷 温度1300K 浓度10-4 UScho=1（ev） n/N=10-3 间隙缺陷 温度1300K 浓度10-15 UFren=4（ev） n/N=10-18 ⑶热缺陷热力学平衡在缺陷控制过程中的应用 金属及合金常常为了控制其缺陷浓度采取热处理办法。常用的热处 理办法有：淬火和退火。淬火是指将高温的金属或合金突然放入冷却液 （常为热容大的耐高温液体），晶体骤冷下来。这样就保持了金属或合 金的高温构型和相态，当然也就保留了其高温时的高浓度热缺陷；退火 则是指，将高温的合金或金属在一定温度下保温平衡，在逐步降低温度 保温平衡，一直让其在近乎平衡条件下变到低温，当然金属或合金就得 到其低温构型或相态，也就具有较低的热缺陷。
3．浓度公式的讨论与应用 对比两种缺陷的浓度公式： nSchot = N Exp（UScho /kT）或 nScho = N Exp（UScho /RT） 3-13 nFrent = N Exp（UFren /kT）或 nFren = N Exp（UFren /RT） 3-14 ⑴ 两种缺陷的浓度都随温度升高而增加，随温度的下降而减少。显然， 当温度T→0时，缺陷浓度n→0，才会有完全有序的晶体（completedly ordered solid phase），也就是完美的晶体（ideal perfect crystals），这正是 热力学第三定律。所以实际晶体重，至少物理热缺陷是无时不在、无所不 在的，实际晶体都是缺陷晶体。 ⑵形成缺陷所需的能量位于浓度公式的指数项，其值越大，形成缺陷 就越难。对两类缺陷：UScho =U1（空位形成能）， UFren=U1 （空位形成能） +U2（间隙形成能），而且，一般说来，U1（空位形成能）＜U2（间隙形 成能），所以总有UScho＜UFren。也就是说，形成Frenkel缺陷的能量要比生 成Schottky 缺陷的能量大得多，故晶体中Frenkel缺陷的浓度要远比Schottky 缺陷的浓度小得多。

化学性能
点缺陷可能会影响晶体对化学物质的吸附和反应活性，从而影响其化学 性质。例如，在催化剂中，点缺陷可能会提高其催化活性。
03
线缺陷
定义与特点
定义
线缺陷是指晶体中沿某一特定方 向的原子或分子的缺失或错排， 导致在该方向上出现间断或错排 的原子列或分子列。
特点
线缺陷通常具有方向性，只在一 维方向上存在缺陷，对晶体结构 的影响较小。
晶体缺陷的分类
点缺陷
指晶体中只涉及到少数原子的缺陷，如 空位、间隙原子等。
线缺陷
指晶体中沿着某一特定方向连续存在的 缺陷，如位错。
面缺陷
指晶体中在某一平面上聚集的缺陷，如 晶界、相界等。
体缺陷
指在晶体中三维空间内连续存在的缺陷 ，如气泡、杂质等。
晶体缺陷的形成原因
03
热力学原因
动力学原因
外部因素
X射线衍射技术
粉末X射线衍射（PXRD）
通过测量粉末样品的X射线衍射图谱，可以分析晶体结构中的缺陷。
单晶X射线衍射（SCXRD）
通过测量单晶样品的X射线衍射图谱，可以更精确地分析晶体结构中的缺陷。
原子力显微镜技术
要点一
原子力显微镜（AFM）
通过测量样品表面的原子力，可以观察到晶体表面和亚表 面的缺陷。
《晶体缺陷》课件
目录
• 晶体缺陷概述 • 点缺陷 • 线缺陷 • 面缺陷 • 体缺陷 • 晶体缺陷的检测与表征
01
晶体缺陷概述
晶体缺陷的定义
01
02
晶体缺陷是指晶体中原子或分子的排列偏离了理想晶体结构的区域， 这些区域可以是空位、间隙原子、错位等。
晶体缺陷的存在会影响晶体的物理、化学和机械性能，从而影响材料 的应用范围和性能。

精选课件
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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)。
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。
(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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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。

F
U
T S
nUV
KT
ln
N!
n! N
n!
2021/5/10
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皮肌炎图片——皮肌炎的症状表现
皮肌炎是一种引起皮肤、肌肉 、心、肺、肾等多脏器严重损害 的，全身性疾病，而且不少患者 同时伴有恶性肿瘤。它的1症状 表现如下：
1、早期皮肌炎患者，还往往 伴有全身不适症状，如-全身肌 肉酸痛，软弱无力，上楼梯时感 觉两腿费力；举手梳理头发时， 举高手臂很吃力；抬头转头缓慢 而费力。
晶体在室温下也可能有大量非平衡空位（如从高温快速冷却 时保留的空位，或者经辐照处理后的空位），这些过量空位 往往沿一些晶面聚集，形成空位片，或者它们与其他晶体缺 陷发生交互作用，从而使材料强度有所提高，但同时也引起 显著的脆性。
点缺陷的形貌可以用电镜直接观测。点缺陷的其它性质如生 成焓、生成熵、扩散激活能（或迁移率）、以及它引起的晶 体体积变化等，都可以通过各种物理实验测定。常见的实验 有：比热容实验；热膨胀实验；淬火实验；淬火－退火实验； 正电子湮没实验等。
2.1.3 空位与间隙原子的平衡浓度
可得自由能最低时的空位浓度为
C
n N
ห้องสมุดไป่ตู้
A
exp
UV KT
A为材料常数，常取作1。K为Boltzman常数，约为1.38×1023J/K或者8.62×10-5ev/K。 Uv 为产生每摩尔空位的形成能，单位为卡/mol或者J/mol 。 R为气体常数，1.978卡/mol或者8.31J/mol 。 间隙原子的平衡浓度比空位低很多，可忽略不计。
n!
若N不变，当 n<N/2时, ΔS >0 。因n<<N ，故空位的增加