晶体缺陷线缺陷PPT课件

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《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。

《晶体结构缺陷》PPT课件

面缺陷的取向及分布与材料的断裂韧性有关。
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图2-3 面缺陷－晶界
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9
图2-4 面缺陷－堆积层错面心立方晶体中的抽出型层错(a)和插入型层错(b)
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图２－５面缺陷－共格晶面面心立方晶体中{111}面反映孪晶
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11
二、按缺陷产生的原因分类
1. 热缺陷 2. 杂质缺陷 3. 非化学计量缺陷 4. 其它原因，如电荷缺陷，辐照缺陷等
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2
§2.1 晶体结构缺陷的类型
分类方式：
几何形态：点缺陷、线缺陷、面缺陷等形成原因：热缺陷、杂质缺陷、非化学计
量ห้องสมุดไป่ตู้陷等
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3
一、按缺陷的几何形态分类
1.点缺陷（零维缺陷）
缺陷尺寸处于原子大小的数量级上，即三维方向上缺陷的尺寸都很小。包括：
空位(vacancy) 间隙质点(interstitial particle) 杂质质点(foreign particle)，如图2-1所示。点缺陷与材料的电学性质、光学性质、材料的高温动力学过程等有关。
本节介绍以下内容：一、点缺陷的符号表征：Kroger-Vink符号二、缺陷反应方程式的写法
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一、点缺陷的符号表征:Kroger-Vink符号
以MX型化合物为例：
1.空位（vacancy）用V来表示，符号中的右下标表示缺陷所在位置，VM含义即M原子位置是空的。
2.间隙原子（interstitial）亦称为填隙原子，用Mi、Xi 来表示，其含义为M、X原子位于晶格间隙位置。
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4
(a)空位
(弗仑克尔缺陷和肖特基缺陷)

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:
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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。
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。

晶体缺陷ppt

演变过程
晶体缺陷在温度、压力等外部因素的作用下会发生变化，如点缺陷的迁移、位错的滑移、晶界的迁移等。这些演变过程会影响晶体的性能和结构。
02
晶体缺陷的类型
点缺陷
弗兰克尔缺陷
在晶体中，原子或离子的一部分占据了应该是另一个原子的位置，造成晶体结构的不完整性。
肖特基缺陷
在晶体中，一个原子或离子跳到了另一个原子的位置，形成了一个空位。
位错是金属材料中最常见的晶体缺陷之一，其密度和分布对材
料的力学性能有重要影响。
在金属材料制备和使用过程中，应尽量减少晶体缺陷的产生，
03
以提高金属材料的性能。
功能陶瓷中的晶体缺陷
功能陶瓷的性能与晶体缺陷密切相关，如电导率、介电常数等。
功能陶瓷中的晶体缺陷包括位错、空位、晶界等，这些缺陷对材料的物理和化学性能产生重要影响。
Hale Waihona Puke 06未来展望与挑战晶体缺陷研究的未来方向
发展新的检测技术
随着科学技术的发展，需要不断开发新的检测技术来更准确地识别和测量晶体缺陷。
深入研究微观机制
进一步深入研究晶体缺陷的微观机制，包括缺陷的形成、扩散、相互作用等，有助于更好地理解缺陷对材料性能的影响。
发展新型材料
基于对晶体缺陷的深入理解，可以设计和开发具有更优性能的新型材料。
晶体缺陷的重要性
材料性能影响
晶体缺陷对材料的物理和化学性能具有重要影响，如导电性、导热性、强度等。
工业应用
在工业上，晶体缺陷的应用也十分广泛，如半导体器件、激光器、太阳能电池等。
晶体缺陷的产生与演变
产生原因
晶体缺陷的产生主要有两种原因，一是材料制备过程中引入的缺陷，如熔炼、铸造、热处理等过程中产生；二是晶体生长过程中形成的缺陷，如位错、层错等。

晶体缺陷：点缺陷,线缺陷,晶面缺陷,空穴Notes_2-34

3.091 – 固体化学导论课件（二）化学键* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * *相关阅读资料：1．Pauling,L.,General Chemistry,W.H.Freeman and Co. San Francisco,1970,chapter 62．Gray H.B., Chemical Bonds, Benjamin, 19803．West, A.R.., Solid State Chemistry, J.Wiley, 19844．Borg, R.J. and G.R.Dienes, Physical Chemistry of Solids, Acdemic Press, 1992 5．Parker,S.B., Physical Chemistry Source Book, McGraw-Hill，1987* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * *如第一章介绍，元素的电子结构只适用于独立的原子——这些原子隔了一定距离，在该距离内原子间无相互作用。

该条件对于凝聚相（如：固相和液相）永远得不到满足，这种情况只会出现在高真空下原子相隔很远的距离且无相互作用的情况下。

在正常情况下，尤其在前述的凝聚相中，原子间隔了一定距离，从本质上来看该距离由各自被填充的最外层电子轨道决定。

每当两个或两可以上原子的外电子壳层相互靠近时（部分发生重叠），便存在相互作用势。

当电子重组能够降低体系能量时，自发反应（包括电子轨道的重组和/或电子从一个原子向另一个原子的转移）将会发生。

这意味着彼此作用的驱动力和电子分布结构的重排在大多数（但不是所有）情况下通过向环境释放热（一种能量）表现出来。

线缺陷ppt课件

刃型位错的滑移过程
（a）正刃型位错（b）负刃型位错图刃位错的滑移
当一个刃型位错沿滑移面滑过整个晶体，就会在晶体表面产生宽度为一个柏氏矢量b的台阶，造成晶体的塑性变形。在滑移时，刃型位错的移动方向一定是与位错线相垂直，即与其柏氏矢量相一致。位错线沿着滑移面移动时，它所扫过的区域是已滑移区，而位错线未扫过的区域为示滑移区。
图刃型位错柏氏矢量的确定
图螺型位错柏氏矢量的确定
（2）柏氏矢量的物理意义及特征
物理意义：反映出柏氏回路包含的位错所引起点阵畸变的总积累(畸变发生的方向与大小）。指出了位错滑移后，晶体上下部产生相对位移的方向和大小，即滑移矢量。刃型位错：滑移区移动方向垂直位错线，滑移量为一个原子间距；螺型位错：滑移方向平行于位错线，滑移量也是一个原子间距。对于任意位错，可据柏氏矢量判断其滑移方向与大小。
（1）柏氏矢量的确定方法先确定位错线的方向(一般规定位错线垂直纸面时，由纸面向外为正向)，按右手法则做柏氏回路，右手大拇指指位错线正向，回路方向按右手螺旋方向确定。从实际晶体中任一原子出发，避开位错附近的严重畸变区作一闭合回路，回路每一步连接相邻原子。按同样方法在完整晶体中做同样回路，步数、方向与上述回路一致，这时终点和起点不重合，由终点到起点引一矢量即为柏氏矢量b。
原子的微小移动导致晶体产生一个原子间距的位移。多个位错的运动导致晶体的宏观变形。比喻：地毯的挪动、蛇的爬行等。
2.位错的滑移
位错沿滑移面的移动称为滑移位错的滑移是在外加切应力的作用下，通过位错中心附近的原子沿柏氏矢量方向在滑移面上不断地作少量的位移（小于一个原子间距）而逐步实现的。
图位错的滑移
§3.2 .2 位错的运动

晶体缺陷-线缺陷

C B
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二.位错（dislocation)
然而实际晶体中存在的位错往往是混合型位错，兼具刃型位错和螺型位错的特征。其滑移矢量既不平行也不垂直于位错线，而与位错线相交成任意角度。每一小段位错线都可分解为刃型和螺型两个分量。
11
三.柏氏矢量
柏氏矢量（Burgers vector）是描述位错实质的重要物理量
5
二.位错（dislocation)
2.1 位错的定义：晶体的线缺陷表现为各种类型的位错。即晶体中某处一列或若干列原子有规律的错排。 2.2 位错的基本类型：从位错的几何结构来看，可将它们分为两种基本类型，即刃型位错和螺型位错。
6
二.位错（dislocation)
2.2.1 刃型位错晶体中已滑移区与未滑移区的边界线垂直于滑移方向。 G 刃型位错的结构如右图所示，在晶面ABCD上半部存在多余的 H F 半排原子面EFGH，这个半原子 D 面中断于ABCD面上的EF处，像一刀刃插入晶体中，使ABCD面 E A 上下两部分晶体之间产生了原 B 子错排，故称“刃型位错”多余的半排原子面与滑移面的交线EF就称作刃型位错线。
C
7
二.位错（dislocation)
如图，多余的半排原子面的插入使上半部分晶体中的原子受到挤压，而下半部分晶体中的原子受到拉伸
8
二.位错（dislocation)
刃型位错的特点：
（1）有一个额外的半原子面；（2）刃型位错线可理解为晶体中已滑移区与未滑移区的边界线；（3）滑移面必定是同时包含有位错线和滑移矢量的平面，在其他面上不能滑移；（4）晶体中存在刃型位错之后，位错周围的点阵发生弹性畸变；（5）在位错线周围的过渡区（畸变区）每个原子具有较大的平均能量。

《晶体缺陷》PPT课件

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。
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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

线缺陷面缺陷PPT.

在晶体学中，点Байду номын сангаас陷、线缺陷和面缺陷是描述晶体结构不完美的术语。点缺陷通常指的是晶体中单个原子或分子的异常，如空位或间隙原子。线缺陷，特指位错，是晶体中原子排列的线性不连续。位错分为刃型位错和螺型位错，前者像刀刃一样切入晶体，后者则形成螺旋状结构。位错的性质包括其形状可能并非直线，且位错不能在晶体内部中断，只能在表面露头或终止于晶界、相界。柏氏矢量是用来表征位错引起的点阵畸变大小的物理量，其确定方法与位错的方向和完整晶体中的回路有关。位错具有易动性，其运动方式主要是滑移，即沿滑移面的移动。对于刃型位错，滑移面是唯一的，且晶体滑移方向与位错运动方向一致。这些缺陷对材料的物理和化学性质有重要影响，因此了解和研究它们对于材料科学的发展至关重要。

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3、点缺陷与材料的行为
（1）点缺陷的存在及其运动是晶体中扩散得以实现的根本原因；
（2）点缺陷导致材料物理和力学性能的改变。材料在使用过程中点缺陷的浓度的变化可使材料的性能发生相应改变，从而对其使用产生影响。
.
9
第二节位错的基本概念
一、位错概念的引入
1、理想晶体的刚性滑移模型
人们最初认为晶体是通过刚性滑移而产生塑性变形的。
第1-6章晶体缺陷
所谓晶体缺陷是指实际晶体与理想晶体之间的点阵结构的差异。晶体缺陷按其在空间的几何图像，可分为：
（1）点缺陷
（2）线缺陷
（3）面缺陷
在空间三维各方向上尺寸都很小，亦称零维缺陷，如空位、间隙原子和异类原子等。
在两个方向上尺寸很小，又称一维缺陷，主要有位错。
在空间一个方向上尺寸很小，另外两个方向上尺寸较大，如晶面、界面、表面等。
螺型位错的位错线与滑移方向平行！
螺型位错有左右之分！
位错线是未滑移区与已滑移区的边界！位错线不能终止于晶体内部，只能在晶体表面
露头、终止于晶界或相界、与其它位错线相交、自行形成封闭的环！
.
16
二、位错的基本类型 — 混合位错
位错线
.
混合位错可看出是刃型为位错和螺型位错的组合或叠加！可分解成刃型位错和螺型位错两部分！
.
2
一、点缺陷的类型 --- 空位和间隙原子
一般晶体（如金属晶体）中，肖特基空位比弗兰克空位多得多。
肖
弗兰克
脱
空位
基
空
位
间隙原子
一般晶体中的肖脱基和弗兰克空位
.
3
一、点缺陷的类型 --- 空位和间隙原子
弗兰克空位
对于离子晶体，当正负离子尺寸差异较大、结构配位数较低时，小离子易于移入相邻的间隙而产生弗兰克空位；而若离子尺寸相差较小、配位数较高、排列较密集时，则易于形成肖特基空位。
晶体的这种滑动方式需同时破坏滑移面上所有原子键。
理论计算所需临界切应力:
τm = G / 30
.
10
一、位错概念的引入
2、实际晶体中存在位错的假设
实际上使晶体产生滑移所需的临界切应力只为理论值的百分之一到万分之一。
实际晶体的内部一定存在着某中缺陷 ---- 位错，晶体的滑移正是借助于其内部位错的运动来实现，从而使材料在远低于其理论屈服强度时就产生滑移。
位错线是未滑移区与已滑移区的边界！
位错线不能终止于晶体内部，只能在晶体表面露头、终止于晶界或相界、与其它位错线相交、自行形成封闭的环！
P26几种形状的位错线1-35 .
15
二、位错的基本类型 — 螺型位错
BC左边晶体上下完全吻合，而aa右边晶体在τ作用下上下正好滑移一个晶格常数，过渡区晶体滑移小于一个晶格常数而产生畸变。 BC为位错线！
位错的能量，应力场，位错受力等，都与b有关。
.
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柏氏矢量的确定方法
刃型位错柏氏矢量的确定方法
位错是晶体中存在的原子面的错排，即晶体中存在的不完全的原子面，是一种线缺陷。
.
11
（Ni，Fe）Al金属间化合物中亚晶界处位错的TEM
赫希（Hirsch）等应用相衬法在TEM中直接观察到了晶体中的位错。
.
12
一、位错概念的引入 3、实际晶体中的位错滑移模型
.
晶体的滑移借助于晶体中存在的一半原子面而产生的位错的运动来完成。晶体滑移的任一瞬间仅需破坏一个原子键。计算所需切应力与实际值相符，晶体中存在位错的假设成立！
② 在一定温度下并非所有的原子都能离开平衡位置形成缺陷，只有比原子的平均能量高出缺陷形成能μ的那部分原子才能形成点缺陷。
③ 温度升高，则晶体中原子的热运动加剧，点缺陷浓度增大。
.
8
二、点缺陷的产生
2、过饱和点缺陷
（1）指晶体中点缺陷的数目明显超过其平衡值、处于过饱和状态。
（2）过饱和点缺陷可通过高温淬火、辐照、冷加工等产生。
混合位错的位错线与滑移方向既不垂直也不平行！
17
.
18
三、位错的柏氏矢量

用来反映位错点阵畸变特征的物理参量。
（1）柏氏矢量 b表示可以很容
易地表征出位错产生的畸变的方向和大小。
（2）引入柏氏矢量后，可以使对位错的描述大大简化。
（3）柏氏矢量可通过在位错线周围和理想晶体中以相同的方法和路径作柏氏回路而求得。
设N为晶体的原子总数，n 为晶体中的点缺陷数，μ 为该类型缺陷的形成能。则点缺陷数形成后其自由能的变化为：
ΔA =ΔU–TΔS = nμ–TΔS
由此不难得出其ΔA-n关系曲线。
.
6
二、点缺陷的产生 1、平衡点缺陷及其浓度
Ce = ne/N = A exp(-μ/kT)
其中：
Ce --某类型点缺陷的平衡浓度； N—晶体的原子总数；
.
1
复习：点缺陷
一、点缺陷的类型 --- 空位和间隙原子
空位
晶体结构中原来应该有原子的某些结点上因某种原因出现了原子空缺而形成。
①肖特基空位脱位原子进入其它空位或逐渐迁移至晶面或界面。肖特基空位仅形成空位。
②弗兰克空位
脱位原子挤入节点的间隙，同时形成间隙原子从而产生间隙原子-空位对。
间隙原子晶体结构中间隙处因某种原因存在的同种原子。
肖特基空位
离子晶体中的肖特基和弗兰克空位
.
4
一、点缺陷的类型 --- 外来原子
异类原子进入到晶体中而形成。根据其与基体原子尺寸的差异，既可进入间隙位置，又可置换晶格的某些结点。
异类原子在晶体中的存在情况
.
5
二、点缺陷的产生
1、平衡点缺陷及其浓度
点缺陷的产生一方面使晶体的内能升高，另一方面却使体系的混乱度增加，使熵值增加。
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二、位错的基本类型 — 刃型位错
刃型位错的原子模型
晶体中原子面的错排---半原子面的出现而形成，有正、负位错之分。
半原子面的存在在晶体中产生畸变，畸变区为以半原子面的边缘线EF为中心的线型区域。
称半原子面的边缘线EF为位错线。
.
14
晶体的局部滑移形成刃型位错示意图
刃型位错的位错线垂直于滑移方向！
A--材料常数，其值常取1；
T--体系所处的热力学温度；
k--玻尔兹满常数，k值为8.62×10-5ev/K。
μ--该类型缺陷的形成能。
.
7
二、点缺陷的产生
1、平衡点缺陷及其浓度
①点缺陷在晶体中必然会存在。在一定的温度条件下，晶体中存在一定浓度的点缺陷以使其处于最低的能量状态，使结构最稳定。