晶体缺陷——位错运动ppt课件

晶体缺陷-位错运动
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目录
• 位错概念 • 位错运动 • 位错与材料性能 • 位错研究的意义与展望
01
位错概念
位错的定义
位错是晶体中原子排列的一种“缺 陷”，表现为一个或多个原子在晶体 中的位置发生了偏差。
位错的存在会导致晶体局部的原子排 列出现异常，破坏了晶体原有的周期 性结构。
塑性变形
位错是晶体中塑性变形的主要机 制，当外力作用在晶体上时，位 错会沿滑移面移动，导致晶体发 生塑性变形。
强度与硬度
位错的存在会阻碍裂纹的扩展， 从而提高材料的强度和硬度。
位错对扩散的影响
扩散路径
位错可以作为扩散的快速通道，影响原子沿位错线的扩散速 度。
扩散激活能
某些情况下，位错的存在可能会降低扩散所需的激活能。
位错的类型
01
02
03
刃型位错
由晶体中一个原子层上的 原子位移形成，表现为一 个多余的半原子面。
螺旋型位错
由多个原子层上的原子连 续位移形成，表现为螺旋 状的原子排列。
混合型位错
同时包含刃型和螺旋型位 错的特点，通常为一个刃 型位错与一个螺旋型位错 的组合。
位错的形成与存在
位错的形成
位错的运动
在晶体生长、加工或受到外力作用时， 原子排列可能会发生偏差，从而形成 位错。
性和耐腐蚀性。
半导体材料
在半导体材料中，位错对电子传 输和器件性能有重要影响，研究 位错有助于提高半导体器件的稳
定性和可靠性。
功能材料
在功能材料中，位错的运动和相 互作用对材料的物理性能（如热 学、电学和磁学性能）有重要影 响，通过位错研究可以优化功能
材料的性能和应用。
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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 。

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。
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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:
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Other Point Defects
Interstitialcy - A point defect caused when a ‘‘normal’’ atom occupies an interstitial site in the crystal.
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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。
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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 。

晶体缺陷理论
第1章 位错的基本性质
合肥工业大学 宣天鹏
§1 §2 §3
引言 弹性力学基础知识 位错的应力场
§4
§5 §6
位错的弹性能、自由能及线张力
位错受力 位1章动画\刃位错.wmv
螺形位错移动方向与 b 垂直， b // t => 通过位错 线并包含 b 的所有晶面都可以成为滑移面，螺形 位错在原滑移面受阻时，可转移到与之相交的 另 一滑移面－－交叉滑移 第1章动画\螺位错
第1章动画\与刃型位 错的交互作用导致 其负攀移.swf
攀移运动引起了晶体体积的变化——非保守运动
由于螺位错的正应变等于零，所以其体膨胀 率等于零，即形成螺位错时体积不发生变化。
We/Ws=
=
一般金属材料的υ≈1/3，所以 We/Ws≈1.5
2. 柏氏矢量的物理意义及特征 ★柏氏矢量－－位错强度 ★柏氏矢量反映柏氏回路包含的 位错引起点阵畸变的总积累 ★位错能量、位错的受力、应力 场、位错反应都与柏氏矢量有关 柏氏矢量表示出晶体滑移的大小 和方向
柏氏矢量特征
3.混合位错
第2章 位错的点阵模型
滑移运动不引起晶体体积的变化——保守运动
同号位错相互排斥，异号位错相互吸引。
2.平行刃位错之间的相互作用
位错 I 作用于 ( x , y ) 处的应力，σyx使位错 II 滑移，压应力σxx使位错 II 正攀移， Fy 与反号
3.平行刃位错和螺位错之间的相互作用
§6.位错的攀移力
KT/b3
.wmv 第1章动画\螺形位 错形成.swf
二、 柏氏矢量 1. 柏氏矢量的确定方法 位错线由纸面向外为正，以大拇指指示， 按右手螺旋定则确定柏氏回路 ：避开位错 严重畸变的区域作一 回路，同样方法在完 整晶体作同一步数的回路，终点到起点的矢 量就是 柏氏矢量 柏氏矢量与起点无关，与路径无关－－ 一根不分叉的任何形状的位错只有一个柏氏 矢量

（1）滑移力（外力为切应力） 单位长度位错上的力：f=τ× b
与位错的运动方向平行，并垂直于位错线，指向 未滑移区。任何位错均可发生滑移运动。
位错受力处处相等，位错只在滑移面上运动，也 称滑移力。位错的滑移不改变晶体体积，称保守 运动。
（2）攀移力（外力为与b同向的正应力）
单位长度刃位错受力：f=-σ× b
一、位错间的交互作用
1. 两平行螺位错的相互作 用： 螺应位力错分（ 量:bτθ1z) 只有纯切
位错b2受力为：
F = b2 τθz
= (Gb1b2 / 2πr)
可见，合力F是一种径 向力.当位错同向时， 两位错在F的作用下表
现为互相排斥。当位 错反向时，两位错在F
的作用下表现为互相 吸引。
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a
第三节 位错受力及其运动 一、作用在位错上的力 1. 虚功原理：外力对晶体滑移 所做的功等于位错线受“力” 移动所做的功。 2. 关于“力”的说明： 这是一个虚构的力，但源于 晶体的内外应力场。 只要存在内外应力场，位错 即使静止也受力。 这是一种组态的作用力，并 非原子所受的作用力。
1
a
3.位错受力的两种形式：
4
a
3. 混合位错的滑移
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沿柏氏矢量方向对晶 体施加应力，则A、B 处为符号相反的刃位 错，C、D处为符号相 反的螺位错，在相同 的外力作用下，各自 运动方向相反，故位 错环只能收缩或扩展。 同样是晶体产生一个b 大小的宏观变形。
a
4. 位错滑移的方向
6
a
三、位错的攀移
刃型位错在垂直于滑移面方向的运动称为攀移。这 相当于多余半原子面的伸长或缩短，因而需要原 子的迁移。
力场也是球对称的正应力场。

垂直的位错环) 。该位错环因两条长边间的强烈吸引而分
裂成许多小位错环，原位错恢复到带割阶的状态。
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③ 长割阶
长度>20个原子间距，钉扎作用更明显。由于割阶 较长，割阶两端的位错相距较远，相互作用较小。 在切应力下，在各自滑移面上以割阶为轴进行滑移
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结论
1. 对于滑移面上运动的位错来讲，穿过此滑移面的 其他位错（林位错），会阻碍位错的运动，滑动 位错切过林位错的过程，称为位错的交割。
两段弯折是在原滑移面上的螺位错，是扭折，
不稳定，在b1错b2,ξe⊥ξs ，be⊥bs
s
bs
s bs
be
割阶
be
扭折(刃)
e
e
两位错运动交割后，在ξs上产生扭折，在ξe上产
生割阶，可以和位错一起运动（非滑移攀移） 7
例四：两螺位错，ξ1⊥ξ2 ，b1⊥b2
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练习
1. 刃形位错形成的割接属于（ ） （A）刃形位错； （B） 螺型位错； （C）混合位错； （D） 无法确定
2. 刃形位错形成的扭折属于（ ） （A）刃形位错； （B） 螺型位错； （C）混合位错； （D） 无法确定
3. 两个伯氏矢量相互垂直的刃形位错发生交割作用会产生___ （ a. 割接；b.扭折），属于___ （ a. 螺形位错；b.刃型 位错）；两个伯氏矢量相互平行的刃形位错发生交割作用会 产生___ （ a. 割接；b.扭折），属于___ （ a. 螺形位错； b.刃型位错）。
割阶长度为1个原子间距时称为基本割阶，大于1 个原子间距时称为超割阶(Superjogs) 。
超割阶的形成：当一个螺位错在滑移过程中切过 一系列螺位错时，该螺位错上就会形成一系列刃 型割阶。在位错线张力的作用下，相邻的割阶或 相互抵消（异号位错）或相互叠加为超割阶。

过饱和空位
空位片
空位坍塌、刃位错
1.2 棱柱位错机制
（a）最大切应力在夹杂物的π/4处； （b）界面处夹杂物与基体的膨胀系数差造成应力集中， 基体晶格错动松弛，形成一段小的位错； （c）切应力作用下，刃位错部分沿背离夹杂物方向， 在圆柱面上运动，螺位错部分沿柱面的两边圆周方向向 下运动；
（d）运动过程，位错拉长。在接近圆柱面的底部附近，螺位 错异号；
晶体缺陷理论
第3章 位错的萌生与增殖
❖ §1 位错的萌生 ❖ §2 位错的增殖机制 ❖ §3 螺旋线位错的形成机制
第3章 位错的萌生与增殖
§1位错的萌生
1.1 空位机制
（a）快冷形成过饱和空位； （b）空位在某些特定面上聚集可以降低体系的能量； （c）一定数量的空位形成空位片； （d）空位片达到一定的尺寸后，坍塌形成了空位环； （e）如图为一刃型位错。
3.1位错形状的改变
影响曲线形状的因素： 1.空位或间隙原子的过饱和度； 2.空位或间隙原子向位错线扩散速度（Vd）的大小； 3.空位或间隙原子在位错线上重新排列的速度（Vr） ； 4.位错在柱面上发生滑移的难易程度； 5.晶体的各向异性（不同方向上的位错能量不同）
写在最后
成功的基础在于好的学习习惯
1
4
┬ ↑b
左
右
右左
2
3┴┴5源自★见位错增殖swf2.2 Frank-Read空间源 (1)位错增殖
★见L型位错swf
（2）CD段旋转运动
位错有弹性能和线张
2.3 极轴机制位错源
2.4 Bardeen-Herring位错源
2.5 交滑移位错源
★见双交滑移swf
§3螺旋线位错的形成机制
g此过程周而复始源源不断地放出位错环产生变形效位错的增殖机制用一个半导体功率器件作为开关该器件不断地重复开启和关断使得输入的直流电压在通过这个开关器件后变成了方波该方波经过电感用一个半导体功率器件作为开关该器件不断地重复开启和关断使得输入的直流电压在通过这个开关器件后变成了方波该方波经过电感用一个半导体功率器件作为开关该器件不断地重复开启和关断使得输入的直流电压在通过这个开关器件后变成了方波该方波经过电感21frankread平面源用一个半导体功率器件作为开关该器件不断地重复开启和关断使得输入的直流电压在通过这个开关器件后变成了方波该方波经过电感见位错增殖swf用一个半导体功率器件作为开关该器件不断地重复开启和关断使得输入的直流电压在通过这个开关器件后变成了方波该方波经过电感用一个半导体功率器件作为开关该器件不断地重复开启和关断使得输入的直流电压在通过这个开关器件后变成了方波该方波经过电感用一个半导体功率器件作为开关该器件不断地重复开启和关断使得输入的直流电压在通过这个开关器件后变成了方波该方波经过电感22frankread空间源1位错增殖用一个半导体功率器件作为开关该器件不断地重复开启和关断使得输入的直流电压在通过这个开关器件后变成了方波该方波经过电感用一个半导体功率器件作为开关该器件不断地重复开启和关断使得输入的直流电压在通过这个开关器件后变成了方波该方波经过电感用一个半导体功率器件作为开关该器件不断地重复开启和关断使得输入的直流电压在通过这个开关器件后变成了方波该方波经过电感2cd段旋转运动位错有弹性能和线张用一个半导体功率器件作为开关该器件不断地重复开启和关断使得输入的直流电压在通过这个开关器件后变成了方波该方波经过电感23极轴机制位错源用一个半导体功率器件作为开关该器件不断地重复开启和关断使得输入的直流电压在通过这个开关器件后变成了方波该方波经过电感24bardeenherring位错源用一个半导体功率器件作为开关该器件不断地重复开启和关断使得输入的直流电压在通过这个开关器件后变成了方波该方波经过电感25交滑移位错源用一个半导体功率器件作为开关该器件不断地重复开启和关断使得输入的直流电压在通过这个开关器件后变成了方波该方波经过电感见双交滑移swf用一个半导体功率器件作为开关该器件不断地重复开启和关断使得输入的直流电压在通过这个开关器件后变成了方波该方波经过电感3螺旋线位错的形成机制31位错形状的改变用一

P
3
应力 T 有方向性，是位置的函数，还 是小面元法线方向 n 的函数，通常在直角 坐标系下描述某点的应力，可用九个分量 的张量(txx txy txz, tyx tyy tyz, tzxtzytzz)表示。 将应力T 分解为两个分量
n
σ T
(1) 沿小面元 dS 法线方向称作正应力s ； (2) 沿小面元 dS 切线方向称作切应力 τ 。
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位错的普遍定义：一个柏格斯回路绕着晶体缺陷 作一闭合回路，其所走步数矢量和不为零，这个晶 体缺陷叫位错。 此前定义“位错是已滑移区与未滑移区的交界线”， 略显粗糙。
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2、柏氏矢量的守恒性
一个确定的位错，其柏氏矢量是固定不变的（与伯格斯回路 的大小、路径无关）。 而且，它有如下表现： (1) 方向指向结点的位错线的柏氏矢量之和等于方向离开结 点的位错的柏氏矢量之和。
型
螺
右
正刃型
负刃型
b
型
螺
左
图7.1.12 具有环形位错线的混合型位错
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晶体中存在的环形位错线不一定必须由各种类型的位错 构成。例如图7.1.13所示的环形位错线是纯刃型的，形成它 的滑移矢量与位错线是垂直的。
图7.1.13 具有环形位错线的刃型位错
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7.2 柏氏矢量
滑移矢量的大小等于原子间距的整数倍，其大小可以反 映产生位错的数目或强度，依据其方向与位错线的交角可以 判断位错类型，但用其描述位错的特征尚有不足。 例如：
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看几个实验结果：
① Ge单晶在温度T＜500℃，Si单晶在温度T＜650℃的条件 下，进行热处理，一般不产生位错； ② 无位错的Si单晶，屈服强度接近理论值。在800～900℃ 温度下进行热处理，施加较大的热应力也不产生位错增殖； ③ Si单晶薄片在室温下，施加机械应力使之弯曲，r (曲率 半径)在2m以上，不发生范性形变。 若晶体内应力超过晶体的屈服强度，将会出现位错。 讨论弯曲应力和温度应力产生的位错密度问题。