第七章晶体缺陷

晶体缺陷异质结构在固体物理学中，晶体缺陷异质结构是一个关键的研究领域，它涉及到晶体中原子排列的局部不规则性及其对材料性能的影响。

晶体通常以其规则的原子排列和长程有序性而著称，然而，在实际晶体中，总会存在各种各样的缺陷和不规则性。

这些缺陷可以是由原子或离子的缺失、取代或位置错乱引起的，也可以是由外部因素如辐射、杂质或温度变化等引起的。

当这些缺陷以特定的方式排列或聚集时，它们就形成了所谓的“异质结构”。

一、晶体缺陷的类型晶体缺陷主要分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种类型。

1.点缺陷：点缺陷是最简单的晶体缺陷形式，它只涉及到晶体中单个或少量原子的位置错乱。

常见的点缺陷有空位、填隙原子和反位原子。

空位是指晶体中某个位置上原子的缺失；填隙原子是指位于晶体正常点阵间隙中的多余原子；反位原子则是指晶体中某种类型的原子占据了另一种类型原子的位置。

2.线缺陷：线缺陷，也称为位错，是晶体中一种常见的一维缺陷。

位错可以看作是晶体中一部分原子相对于其他部分发生了滑移，形成了一条连续的错位线。

位错对晶体的力学性质、电学性质等都有重要影响。

3.面缺陷：面缺陷是晶体中二维的缺陷形式，包括晶界、孪晶界和堆垛层错等。

晶界是指不同晶粒之间的界面，孪晶界是指晶体中两部分原子排列呈镜像对称的界面，而堆垛层错则是指晶体中原子层的堆垛顺序发生了错误。

二、异质结构的形成异质结构通常是由不同类型的晶体缺陷相互作用、聚集或排列而形成的。

例如，在某些情况下，点缺陷可能会聚集在一起形成团簇或纳米尺度的结构；线缺陷可能会相互交错或形成网络结构；而面缺陷则可能会分隔晶体成不同的区域或畴。

这些缺陷的聚集和排列方式取决于晶体的生长条件、处理历史以及外部环境等因素。

三、晶体缺陷异质结构对材料性能的影响晶体缺陷异质结构对材料的物理、化学和机械性能都有显著的影响。

以下是一些主要方面：1.力学性质：晶体缺陷可以降低材料的强度和硬度，增加其塑性和韧性。

例如，位错可以作为滑移的起点和传播路径，在材料受力时促进塑性变形。

晶体缺陷知识点晶体缺陷是固体材料中晶格出现的非理想性质，通常由于外界因素或内部原子位置错配引起。

晶体缺陷可以对材料的性质和行为产生显著影响，因此对晶体缺陷的认识和理解对于材料科学和工程领域至关重要。

本文将主要介绍晶体缺陷的类别、产生原因以及对材料性能的影响等相关知识点。

一、点缺陷点缺陷是晶体中最常见的缺陷之一，它包括空位、附加原子和原子间隙等。

空位是晶体中原子缺失的位置，它可能由于热振动、离子辐照或经历一系列化学反应等因素而形成。

附加原子是晶体中多余的原子，它可以是来自杂质或外界加入的额外原子。

原子间隙是晶体中原子之间的间隙空间，它的存在会导致晶体结构的变形和变化。

二、线缺陷线缺陷是晶体中延伸成线状的缺陷，包括位错和螺旋排列。

位错是晶体中原子错位或排列不当导致的线性缺陷，它可以通过晶体的滑移和或扩散过程产生。

螺旋排列是沿晶体某个轴线方向发生的原子错位，在某些晶体材料中常见。

三、面缺陷面缺陷是晶体中存在的平面或界面缺陷，包括晶界、层错和孪晶等。

晶界是晶体中两个晶粒的交界面，它由于晶体生长或晶体结构不匹配引起。

层错是晶体中原子层次错位排列的缺陷，通常发生在层状晶体结构中。

孪晶是晶体中两个晶粒具有相同的晶格方向但是镜像对称的缺陷。

四、体缺陷体缺陷是晶体中三维空间内存在的缺陷，主要包括孔洞和包裹物。

孔洞是晶体中的空隙空间，可以影响晶体的密度和物理性质。

包裹物是晶体中包裹其他原子或分子的空间，它可以是点状、线状或面状。

晶体缺陷的产生原因多种多样，包括热力学因素、机械应力和外部影响等。

温度和压力的变化可以导致晶体中原子位置发生偏移或畸变，进而产生缺陷。

机械应力也可以引起晶体的位错和断裂等缺陷。

此外，电磁辐射、化学环境和放射性衰变等因素也会影响晶体的结构和缺陷形成。

晶体缺陷对材料的性能和行为产生重要影响。

例如，点缺陷的存在可以改变材料的电导率、热导率和光学性能。

线缺陷和面缺陷可以导致晶体的强度和塑性发生变化，并影响晶体的断裂行为。

第七章晶体结构第一节晶体的点阵结构一、晶体及其特性晶体是原子（离子、分子）或基团（分子片段）在空间按一定规律周期性重复地排列构成的固体物质。

晶体中原子或基团的排列具有三维空间的周期性，这是晶体结构的最基本的特征，它使晶体具有下列共同的性质：(1)自发的形成多面体外形晶体在生长过程中自发的形成晶面，晶面相交成为晶棱，晶棱会聚成顶点，从而出现具有几何多面体外形的特点。

晶体在理想环境中应长成凸多面体。

其晶面数（F）、晶棱数（E）、顶点数（V）相互之间的关系符合公式：F+V=E+2 八面体有8个面，12条棱，6个顶点，并且在晶体形成过程中，各晶面生长的速度是不同的，这对晶体的多面体外形有很大影响：生长速度快的晶面在晶体生长的时候，相对变小，甚至消失，生长速度小的晶面在晶体生长过程中相对增大。

这就是布拉维法则。

(2)均匀性：晶体中原子周期性的排布，由于周期极小，故一块晶体各部分的宏观性质完全相同。

如密度、化学组成等。

(3)各向异性：由于晶体内部三维的结构基元在不同方向上原子、分子的排列与取向不同，故晶体在不同方向的性质各不相同。

如石墨晶体在与它的层状结构中各层相平行方向上的电导率约为与各层相垂直方向上电导率的410倍。

(4)晶体有明显确定的熔点二、晶体的同素异构由于形成环境不同，同一种原子或基团形成的晶体，可能存在不同的晶体结构，这种现象称为晶体的同素异构。

如：金刚石、石墨和C60是碳的同素异形体。

三、晶体的点阵结构理论1、基本概念（1）点阵：伸展的聚乙烯分子具有一维周期性，重复单位为2个C原子，4个H 原子。

如果我们不管其重复单位的内容，将它抽象成几何学上的点，那么这些点在空间的排布就能表示晶体结构中原子的排布规律。

这些没有大小、没有质量、不可分辨的点在空间排布形成的图形称为点阵。

构成点阵的点称为点阵点。

点阵点所代表的重复单位的具体内容称为结构基元。

用点阵来研究晶体的几何结构的理论称为点阵理论。

（2）直线点阵：根据晶体结构的周期性，将沿着晶棱方向周期的重复排列的结构单元，抽象出一组分布在同一直线上等距离的点列，称直线点阵。

晶体缺陷晶体缺陷crystal defects实际晶体中原子偏离理想的周期性排列的区域称作晶体缺陷。

晶体缺陷在晶体中所占的总体积很小，也就是说，实际晶体中的绝大部分区域，原子排列于周期性位置上。

因此，晶体缺陷是近完整晶体中的不完整性。

但晶体缺陷对固体的许多结构敏感的物理量（如引起形变的临界切应力、扩散系数等）有极大的影响，晶体缺陷的研究对材料的强度、热处理等问题的研究有很重要的作用。

晶体缺陷分为：①点缺陷，包括空位、自填隙原子、代位原子、异类填隙原子等；②线缺陷，如位错；③面缺陷，如堆垛层错、孪晶界、反相畴界等，面缺陷还可以包括晶体表面、晶界和相界面（见界面）。

点缺陷图1是点缺陷的示意图,表示各种点缺陷的形式。

热平衡状态下点缺陷浓度C 遵从统计物理规律C＝exp(－u/kT)这里k是玻耳兹曼常数;T是绝对温度;u是点缺陷形成能。

常用金属铁、铜、铝等的室温平衡空位浓度很小，接近熔点时的空位浓度约为 10-4。

自填隙原子形成能是空位形成能的3～4倍，其平衡浓度极小。

代位原子和异类填隙原子的最大浓度由相图决定。

表面空位和增原子的形成能和表面的取向关系很大,但都比体空位形成能小。

在某些表面，它们的形成能只有体空位形成能的一半。

因此它们的平衡浓度比体空位高得多（见晶体表面）。

界面的曲率半径ρ对平衡空位浓度Cv的影响由下式表示：这里 C0是界面曲率为零(曲率半径ρ为无穷大)的空位浓度，σ是界面能，V是原子体积。

图2a表示曲率半径不同引起的表面空位的浓度差（曲率半径不同对界面附近体空位浓度的影响类似）。

表面增原子浓度受到的影响和表面空位受到的影响相反(上式的括号内加一负号)。

由此引起的表面空位流和增原子流会使波浪状表面变平（图2a）；使两个颗粒颈部变粗（图2b）。

这是粉末冶金烧结过程的重要理论依据。

非平衡状态下点缺陷浓度可以大大超过平衡浓度。

从熔点附近淬火后得到的过饱和空位浓度可以比平衡浓度大几个数量级。

形变产生的空位浓度达10-4 ε(ε是应变量)。

晶体缺陷引言理想晶体→原子固定不动，排列规则。

实际晶体原子不断振动：微区不规则性、微区不完整性→晶体缺陷根据缺陷的几何特征：点缺陷、线缺陷、面缺陷3.1 点缺陷3.1.1 点缺陷的形成点缺陷（Point Defects ）3.1.2 点缺陷的平衡浓度造成点阵畸变能量升高，热力学不稳定；增大原子排到的混乱程度，熵值增大,热力学稳定。

以肖脱基空位为例，计算点缺陷的浓度恒温下，系统的自由能F=U-TS式中U：内能，S：总熵变，包括组态熵和振动熵。

设由N个原子组成的晶体中，含有n个空位，一个空位的形成能为EV ，则晶体中含有n个空位时内能增加为：△U＝nE V点缺陷平衡浓度的推导F=U – TSΔF=nEv–T（ΔSc + nΔSf）nΔSf：振动熵Sc=klnW Sc：排列熵W= （N+n ）！N！n！由stirling近似公式：lnX≈XlnX - XΔSc=k [(N+n)ln(N+n) – NlnN –nln n ]于是ΔF=n(Ev - TΔSf) – kT[( N+n)ln(N+n) – NlnN –nln n ]平衡时，自由能最小，即当N》n时，ln N/n≈(Ev - TΔSf)/kT故空位在T 温度时的平衡浓度为：C=n/N =exp(ΔSf /k) exp(- Ev/kT) = A exp( - Ev/kT)式中A＝exp(ΔSf /k)分子，分母同时乘以NA有：C= A exp( - N A Ev / kT) = A exp( - Q f / RT)同理，可求得间隙原子的平衡浓度C ' 为：C'=n'/N'＝A' exp( - ΔEv'/kT)其中N‘间隙位置总数，n’为间隙原子数。

ΔEv' 为形成一个间隙原子所要能量3.1.3 点缺陷的运动复合：在一定温度下，晶体中达到统计平衡的空位和间隙原子的数目是一定的，而且晶体中的点缺陷并不是固定不动的，而是处于不断的运动过程中。

一、概述1、晶体缺陷：晶体中原子（离子、分子）排列的不规则性及不完整性。

种类：点缺陷、线缺陷、面缺陷。

1) 由上图可得随着缺陷数目的增加，金属的强度下降。

原因是缺陷破坏了警惕的完整性，降低了原子间结合力，从宏观上看，即随缺陷数目增加，强度下降。

2) 随着缺陷数目的增加，金属的强度增加。

原因是晶体缺陷相互作用（点缺陷钉扎位错、位错交割缠结等），使位错运动的阻力增加，强度增加。

3) 由此可见，强化金属的方向有两个：一是制备无缺陷的理想晶体，其强度最高，但实际上很难；另一种是制备缺陷数目多的晶体，例如：纳米晶体，非晶态晶体等。

二、点缺陷3、点缺陷：缺陷尺寸在三维方向上都很小且与原子尺寸相当的缺陷（或者在结点上或邻近的微观区域内偏离晶体结构正常排列的一种缺陷），称为点缺陷或零维缺陷。

分类：空位、间隙原子、杂质原子、溶质原子。

4、肖特基空位：原子迁移到晶体表面或内表面正常结点位置使晶体内形成的空位。

5、弗仑克尔空位：原子离开平衡位置挤入点阵间隙形成数目相等的空位和间隙原子，该空位叫做弗仑克尔空位。

6、空位形成能EV：在晶体中取出一个原子放在晶体表面上（不改变晶体表面积和表面能）所需的能量。

间隙原子形成能远大于空位形成能，所以间隙原子浓度远小于空位浓度。

7、点缺陷为热平衡缺陷，淬火、冷变形加工、高能粒子辐照可得到过饱和点缺陷。

8、复合：间隙原子和空位相遇，间隙原子占据空位导致两者同时消失，此过程成为复合。

9、点缺陷对性能的影响：点缺陷使得金属的电阻增加，体积膨胀，密度减小；使离子晶体的导电性改善。

过饱和点缺陷，如淬火空位、辐照缺陷，还可以提高金属的屈服强度。

三、线缺陷10、线缺陷：线缺陷在两个方向上尺寸很小，另外一个方向上延伸较长，也称为一维缺陷。

主要为各类位错。

11、位错：位错是晶体原子排列的一种特殊组态；位错是晶体的一部分沿一定晶面与晶向发生某种有规律的错排现象；位错是已滑移区和未滑移区的分界线；位错是伯氏矢量不为零的晶体缺陷。

晶体缺陷[学习目的][Back]材料的性质决定于其组成原子的性质及其结构（原子空间位置和相互作用关系）。

绝对理想化的晶体材料由于其原子性质和结构都是唯一确定的，所以其性质也是唯一确定的。

这样一来材料理想化晶体材料的性质就非常容易研究，材料世界中也会非常单调古板。

庆幸的是实际材料中存在很多对理想晶体的偏离（所谓晶体缺陷）。

这些偏离使实际材料的性质产生了许多变数，造就了我们面前的多彩的材料世界。

可以说材料的性质决定于其中晶体缺陷的种类和分布（结构）。

因此材料科技工作者必须要掌握材料中已知缺陷的种类、性质、结构、表征方法和这些缺陷对材料的各种性质的影响规律。

从而解释为什么这种材料在经过这样处理之后会有这样的性质。

应该说，我们对晶体缺陷的认识还不全面。

随着理论深化、表征手段的完善，晶体缺陷的知识在增加。

本章的另外一个重要目的是向同学展示晶体缺陷相关问题的研究思路和方法，培养大家对此类问题的研究能力。

[本章主要内容][Back]1、描述空位和自空隙原子晶体缺陷。

2、已知相关的常数，计算具体温度下材料中的平衡空位数。

3、说出两种固溶体类型，并且简要写出各自的定义，画出草图。

4、说出并描述在陶瓷化合物中发现的八种不同的离子点缺陷。

5、已知一金属的分子质量以及其中两种或两种以上元素的原子量，计算每一种元素的质量百分比和原子百分比。

6、对于刃型位错、螺型位错和混合位错：(a)描述并且画出每一种位错；(b)标出位错线的位置；(c)标明位错线的延伸方向。

7、描述(a)晶界(b)孪晶界附近区域内的原子结构。

[重要术语和概念][Back] Alloy: 合金A metallic substance that is composed of two or more elements.由两种及以上元素组成的金属材料。

Weight percent (wt%):质量百分数Concentration specification on the basis of weight (or mass) of a particular element relative to the total alloy weight (or mass).。

晶体的缺陷名词解释晶体学是研究晶体内部结构和缺陷的科学，晶体的缺陷是晶体中不规则排列的原子或离子，其存在对晶体的性质和性能产生重要影响。

本文将对晶体的缺陷名词进行解释和探讨。

一、位错位错是晶体中最常见的缺陷之一。

位错是晶体中原子或离子的断裂、错位或在晶体内偏离理想位置的缺陷。

位错分为直线位错、面内位错和体位错。

直线位错是沿着某个方向延伸的位错线，用于解释晶体中的滑移和塑性行为。

面内位错是紧邻平面的晶格原子错位，可以影响晶体的断裂和强度。

体位错是晶体中多个面内位错重叠形成的三维位错结构。

二、点缺陷点缺陷是晶体中存在的原子或离子缺陷，其大小仅为一个晶胞的量级。

点缺陷包括原子间隙、自间隙、离子空位和杂质原子。

原子间隙是晶体中某些原子的理想位置为空出的空间，可以容纳其他原子。

自间隙则是由原来的晶格原子跑到别处形成的间隙，导致了晶体中的晶格畸变。

离子空位是离子晶体中缺失的离子，结果是电荷不平衡。

杂质原子是非晶体中掺入的其他原子，可以显著改变晶体的化学和物理性质。

三、线缺陷线缺陷是晶体中存在的缺陷行，其宽度明显大于点缺陷。

线缺陷包括晶格扭曲、晶格错位带、螺旋位错带和阵列位错。

晶格扭曲是晶格不一致引起的畸变，主要表现为晶格常数的变化。

晶格错位带是晶格中原子错位所形成的缺陷带，常见于金属材料。

螺旋位错带是由于晶体中原子扭曲形成的螺旋线结构，可以影响晶体的力学性能。

阵列位错是沿某个方向连续形成的位错，会导致晶体的局部应力集中。

四、界面缺陷界面缺陷是晶体内部不同晶体区域之间的缺陷，包括晶界和相界。

晶界是晶体中两个晶粒之间的边界，常见于多晶材料中，可以影响晶体的导电性和力学性能。

相界则是晶体内部不同相之间的边界，会导致晶体中的相变和形态变化。

五、体缺陷体缺陷是晶体中三维空间的缺陷，其大小大于线缺陷和点缺陷。

体缺陷包括晶格空缺、晶格畸变和晶格间隙。

晶格空缺是晶体中空出的晶格位置，导致晶体中缺失原子的紧邻空位。

晶格畸变是晶体中晶格常数的变化，常见于热力学非平衡过程和应力作用下。