第三章 晶体结构缺陷
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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。
第三章晶体结构缺陷内容提要在讨论晶体结构时,人们认为质点在三维空间的排列遵循严格的周期性,这是一种仅在绝对零度才可能出现的理想状况。
通常把这种质点严格按照空间点阵排列的晶体称为理想晶体。
由于质点排列的周期性和规则性,使得晶体中的势场也具有严格的周期性。
在实际晶体中,因其所处的温度高于绝对零度,因而其质点排列总会或多或少地偏离理想晶体中的周期性、规则性排列,即实际晶体中存在着各种尺度上的结构不完整性。
通常把晶体点阵结构中周期性势场的畸变称为晶体的结构缺陷。
正是由于缺陷的存在,才使晶体表现出各种各样的性质,使材料制备过程中的动力学过程得以进行,使材料加工、使用过程中的各种性能得以有效控制和改变,使材料性能的改善和复合材料的制备得以实现。
缺陷的产生、类型、数量及其运动规律,对晶体的许多物理与化学性质会产生巨大的影响。
晶体材料所固有的电、磁、声、光、热和力学等性能和材料加工、使用过程中所表现出来的行为大都具有结构敏感性,晶体缺陷则是研究晶体结构敏感性的关键问题和研究材料质量的核心内容。
有位科学家说过:―能够控制晶体中的缺陷,就等于拿到了控制实际晶体的钥匙‖。
由此可见,了解和掌握各种缺陷的成因、特点及其变化规律,对于材料工艺过程的控制,材料性能的改善,新型结构和功能材料的设计、研究与开发具有非常重要意义。
本章从微观层次上介绍晶体中缺陷产生的原因和缺陷的类型,阐述缺陷的产生、复合、运动以及缺陷的控制与利用,建立缺陷与材料性质和材料加工之间的相互联系,为最终利用或控制缺陷对材料实施改性奠定科学基础。
概述一、晶体结构缺陷的概念在学习晶体结构的时候,我们知道了晶体结构的特征是晶体中的质点在三维空间规则与周期性排列。
晶体中的每一个质点都是处在相邻质点的周期性势场之中,具有这种性质的晶体称之为理想晶体,这是为了研究晶体面总结出来的理想状态。
在自然界中绝对完整的晶体是不存在的,在绝对零度以上,由于热运动等种种原因,晶体中质点的排列都或多或少不那么完全有规则。