第三章-晶体结构缺陷

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。为了保持电中性，会产生正离子空位或间隙负离子。

【例3-5】TiO2在还原气氛下失去部分氧，生成非化学计量化合物TiO2-x，写出缺陷反应方程式。

【解】非化学计量缺陷的形成与浓度取决于气氛性质及其分压大小，即在一定气氛性质和压力下到达平衡。该过程的缺陷反应可用

或

方程式表示，晶体中的氧以电中性的氧分子的形式从TiO2中逸出，同时在晶体中产生带正电荷的氧空位和与其符号相反的带负电荷的来保持电中性，方程两边总有效电荷都等于零。可以看成是Ti4+被还原为Ti3+，三价Ti占据了四价Ti的位置，因而带一个单位有效负电荷。而二个Ti3+替代了二个Ti

4+，Ti∶O由原来2∶4变为2∶3，因而晶体中出现一个氧空位，带二个单位有效正电荷。

【例3-6】假定把一个Na原子从钠的晶体内部移到边界上所需的能量是1ev，计算定温时（300K）的肖特基空位浓度。

【解】∵=1ev=1×1.6×10-19J

∴=exp(-)=1.643×10-15%

【例3-7】在MgO晶体中，肖特基缺陷的生成能为6ev，计算在25℃和1600℃时热缺陷的浓度；如果MgO晶体中，含有百万分之一的Al2O3杂质，则在1600℃时，MgO晶体中是热缺陷占优势还是杂质缺陷占优势？请说明原因。

【解】（1）根据MX型晶体中肖特基缺陷浓度公式：

已知：

当T＝25℃＝298K及T＝1600℃＝1873K时，

（2）在MgO中加入Al2O3的杂质缺陷反应为：

此时产生的缺陷为[]杂质，而[Al2O3]＝[]杂质

当加入10－6 Al2O3时，杂质缺陷的浓度为[]杂质＝[Al2O3]＝10－6

由（1）计算在1873K时，[]热＝8×10－9

所以：[]杂质>[]热，即1873K时杂质缺陷占优势。

【例3-8】许多晶体在高能射线照射下产生不同的颜色，经退火后晶体的颜色又消失，试解释原因。

【解】可通过“色心”的概念来解释。“色心”是由于电子补偿而引起的一种缺陷。一些晶体受到X射线、γ射线、中子或电子辐照，往往会产生颜色。例如，金刚石用电子轰击，产生蓝色；石英在反应堆中用中子辐照以后，产生棕色。这些颜色的产生是由于辐照破坏晶格，并产生各种类型的点缺陷的缘故。为在缺陷区域保持电中性，过剩的电子或过剩正电荷（电子空穴）就处在缺陷的位置上，与原子周围的电子具有一系列分离的允许能级一样，束缚在点缺陷上的电荷，也具有这样的一组能极。这些允许能极相当于在可见光谱区域的光子能级。因而，在缺陷位置上也就能吸收一定波长的光，这样材料就出现某种颜色。把这种经过辐照而变色的晶体加热，能使缺陷扩散而消失或产生复合，使辐照破坏得到修复，晶体失去颜色。

【提示】研究最详细的色心是F-色心（F-centre）（由德语Farbe-Colout而得），当碱金属卤化物晶体在碱金属蒸汽中加热，然后快速淬火时，就产生F-色心。例如，NaCl在Na蒸汽中加热得到黄棕色。当NaCl晶体被加热时，Na扩散到晶体的内部，以过剩的Na+离子存在。由于缺乏C1-离子，过剩的Na+离子将伴随相当数目的氯离子空位。为了保持电中性，从Na来的一个价电子被吸引到负离子空位上，并在那里被捕获（正象在理想晶体中，一个价电子将被一个C1原子所吸引，生成一个C1-离子一样）。因此，F-色心是由一个负离子空位和一个在此位置上的电子组成的。它是一个陷落电子中心（captured traopped-electron centre），F-色心如教材图3-11所示，F-色心也就是捕获了电子的负离子空位。前面曾提到负离子空位带正电荷，对于氯离子空位是带一个正电荷，现在它又捕获了一个电子，因此，F-色心的构造很象一个氯原子。

【例3-9】在MgO-Al2O3和PbTiO3-PbZrO3，哪一对形成有限固溶体，哪一对形成无限固溶体？为什么？【解】（1）MgO-Al2O3只能形成有限固溶体。

原因：MgO与Al2O3的结构类型不同，虽然可以通过不等价离子代换并且形成空位来平衡电荷以形成置换型固溶体，但是置换量总是有限的。固溶方程：

Al2O3 2 Al+3O+V

固溶体分子式为：Mg1-3x Al2x O

（2）PbTiO3-PbZrO3能形成完全互溶的置换型固溶体。

原因：1）结构类型相同

2）=0.068nm，，=0.079 nm

=×100%=13.9%<15%

【例3-10】将CaO外加到ZrO2中去生成固溶体，具有立方萤石结构，试验测定：当溶入量为0.15molCaO 时，晶胞常数a=0.5131nm，密度D=5.477g/cm3。试通过计算判断生成哪种类型固溶体（置换性型或间隙型）。已知：原子量Ca 40.08，Zr 91.22 ，O 16.00

【解】（1）设形成置换型固溶体

则：CaO++

固溶体分子式为：Zr1-x Ca x O2-x，x＝0.15

即：Zr0.85Ca0.15O1.85

置换型固溶体的密度为：

D1===5.568g/cm3其中M——置换型固溶体的分子量

——阿佛加德罗常数

（2）又设形成间隙型固溶体

则CaO++

固溶体分子式为：x=0.15

即：

形成间隙型固溶体的密度为：

D2===6.017g/cm3将计算结果与实验测定结果比较D1更接近于实测值，所以生成置换型固溶体。

【例3-11】非化学计量化合物Fe x O中，Fe3+/Fe2+＝0.1，求Fe x O中空位浓度及x值。【解】非化学计量化合物Fe x O，可认为是a(mol)的Fe2O3溶入FeO中，缺陷反应式为：

a2a a

此固溶体（非化学计量化合物）的组成为：

已知：Fe3＋／Fe2＋＝0.1

则：

a＝0.044

x＝2a＋(1－3a)＝1－a＝0.956

又

正常格点数N＝1＋x＝1＋0.956=1.956

空位浓度为

（热缺陷浓度可忽略不计）

【例3-12】非化学计量缺陷的浓度与周围气氛的性质、压力大小相关，如果增大周围氧气的压，非化学计量化合物及的密度将发生怎样的变化？增大？减小？为什么？

【解】化学计量化合物Fe1－x O，是由于正离子空位，引起负离子过剩

按质量作用定律，平衡常数

得：

即：铁空位浓度和氧分压的次方成正比，故当周围氧分压增大时，铁空位浓度增加，晶体质量减小，则Fe1－x O的密度也将减小。

化学计量化合物Zn1＋x O，由于正离子填隙，使金属离子过剩：

按质量作用定律：

得：

即：间隙离子的浓度与氧分压的次方成反比，故增大周围氧分压，间隙离子浓度减小，晶体质量减小，则Zn1+x O的密度也减小。

【例3-13】试确定面心立方晶体在（）[110]滑移系统滑移时的伯氏矢量。

【解】晶体在（）[110]滑移系统滑移时，其滑移矢量在[110]晶向上。从任一原子位置向前方另一原子位置引出的矢量，也就是从晶胞坐标原点[0,0,0]向（001）晶面的晶胞面心[1/2, 1/2,0]所引出的矢量。该矢量在晶胞坐标轴X、Y、Z三轴上的分量依次为a/2、a/2、0，因此，用它表示的伯氏矢量的符号为：b，此即位错的单位滑移矢量。

【提示】对于面心立方晶体而言，其密排面的密排方向在面对角线方向，因此，晶体滑移时，每次滑移的距离即为面对角线的一半，即。这与滑移矢量b的模的大小是一致的。

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第三章 晶体结构缺陷

第三章晶体结构缺陷 【例3-1】写出MgO形成肖特基缺陷得反应方程式。 【解】MgO形成肖特基缺陷时,表面得Mg2+与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: 该方程式中得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形成弗伦克尔缺陷得反应方程式。 【解】AgBr中半径小得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中得缺陷反应方程式。 【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,引入得1个F－离子位于基质晶体中F－离子得位置上。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－离子位于基质中得F－离子位置上,与此同时,引入了3个Na+离子。根据基质晶体中得位置关系,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,也可以写出其她形式得缺陷反应方程式,但上述2个方程所代表得

缺陷就是最可能出现得。 【例3-4】写出CaCl2加入KCl中得缺陷反应方程式。 【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: 这也就是2个典型得缺陷反应方程式,与后边将要介绍得固溶体类型相对应。 【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。为了保持电中性,会产生正离子空位或间隙负离子。 【例3-5】TiO2在还原气氛下失去部分氧,生成非化学计量化合物TiO2-x,写出缺陷反应方程式。 【解】非化学计量缺陷得形成与浓度取决于气氛性质及其分压大小,即在一定气氛性质与压力下到达平衡。该过程得缺陷反应可用 或 方程式表示,晶体中得氧以电中性得氧分子得形式从TiO2中逸出,同时在晶体中产生带正电荷得氧空位与与其符号相反得带负电荷得来保持电中性,方程两边总有效电荷都等于零。可以瞧成就是Ti4+被还原为Ti3+,三价Ti占据了四价Ti得位置,因而带一个单位有效负电荷。而二个Ti3+替代了二个

晶体学结构缺陷部分

引言 一晶体与晶格 晶体：由离子、原子或分子有规律地排列而成，即构成晶体的质点按一定规律排列着。质点在空间的分布具有周期性和对称性。 晶格：把晶体质点的中心，用直线联起来，构成一个空间格架，这种空间格架就是晶体格子，简称晶格。最小晶格单元称为晶胞。 1．1 缺陷的概念 晶体的特征：其中的原子或原子集团都是在有规律的排列（周期性），即不论沿晶体的哪个方向看去，总是相隔一定的距离就出现相同的原子或原子集团。 实际上，即使在0K，实际晶体中也不是所有的原子都严格地按照周期性排列的，因为晶体中存在着一些微小的区域，在这些区域中或穿过这些区域时，原子排列的周期性受到破坏，这样的区域便称为晶体缺陷。 1．2 晶体缺陷的种类 按照缺陷区相对于晶体的大小，可将晶体缺陷分为以下四类： （1）点缺陷—在任意方向上缺陷区的尺寸都远小于晶体或晶粒的线度的缺陷（0维缺陷）。例子：溶解于晶体中的杂质原子，晶体点阵结点上的原子进入点阵间隙时形成的空位和填隙原子等。 （2）线缺陷—在某一方向上缺陷区的尺寸可以与晶体或晶粒的线度相比拟的缺陷（一维缺陷）。例子：位错。 （3）面缺陷—在共面的各方向上缺陷区的尺寸可与晶体或晶粒的线度相比拟，而在穿过该面的任何方向上缺陷区的尺寸都远小于晶体或晶粒的线度的缺陷（二维缺陷）。例子：晶粒边界或层错面等。 （4）体缺陷—在任意方向上缺陷区的尺寸都可以与晶体或晶粒的线度相比拟的缺陷（三维缺陷）。例子：亚结构（镶嵌块）、沉淀相、空洞、气泡、层错四面体等。 1．3 缺陷的作用 缺陷浓度—缺陷总体积与晶体体积之比。 不论哪种缺陷，其浓度都是很低的，但是缺陷对晶体性质的影响却很大。 （1）力学性能

晶体缺陷

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。分类：刃位错、螺位错、混合型位错。 12、刃型位错特点：a) 刃型位错有一个多余半原子面。正刃型位错和负刃型位错只有相对意义，无本质区别。 b) 位错线不一定为直线，但滑移面必定是位错线和滑移矢量确定的平面，滑移面唯一。 c) 刃型位错周围点阵发生弹性畸变，既有切应变，又有正应变。能引起材料体积变化。 d) 刃型位错位错线垂直于柏氏矢量，垂直于滑移方向，垂直于滑移矢量。位错线移动方向平行于晶体滑移方向。 e) 刃型位错属于线缺陷，位错线可以理解为晶体中已滑移区与未滑移区的边界线。 f) 刃型位错位错线不能终止于晶体内部，只能露头晶体表面或晶界。 13、螺型位错特点： a) 螺型位错无额外半个原子面，原子错排是呈轴对称的。右螺型位错和左螺型位错有本质区别。 b) 螺型位错线一定是直线，但滑移面不唯一，凡是包含螺型位错线的（原子密排）平面都可以作为他的滑移面。 c) 螺型位错周围点阵发生弹性畸变，只有平行于位错线的切应变，没有正应变。不会引起材料体积变化。 d) 螺型位错位错线平行于柏氏矢量，平行于滑移方向，平行于滑移矢量，位错线的移动方向垂直于晶体滑移方向。 e) 刃型位错属于线缺陷，位错线可以理解为晶体中已滑移区与未滑移区的边界线。 f) 螺型位错位错线不能终止于晶体内部，只能露头晶体表面或晶界。 14、混合型位错：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，这种位错称为混合位错。特点：a) 混合型位错位错线既不平行也不垂直于滑移矢量，每一段混合型位错均包含刃型位错分量和螺型位错分量（可以有纯刃型位错环，没有纯螺型位错环）。 b) 混合型位错是已滑移区和未滑移区的分界线。 c) 混合型位错位错线不能终止于晶体内部，只能露头晶体表面或晶界。 15、柏氏矢量的确定： 1) 首先选定位错线的正向，一般选择出纸面方向为正向。 2) 在实际晶体中，从任一原子出发，围绕位错（避开位错线附近的严重畸变区）以一定的步数作一右旋闭合回路MNOPQ(称为柏氏回路）。 3) 在完整晶体中按同样的方向和步数作相同的回路，该回路并不封闭，由终点Q向起点M引一矢量b，使该回路闭合，这个矢量b就是实际晶体中位错的柏氏矢量。 16、右手法则：右手的拇指、食指、中指构成直角

材料科学基础晶体结构缺陷课后答案

3-1纯金属晶体中主要点缺陷类型有肖脱基空位和弗兰克空位，还有和弗兰克空位等量的间隙原子。点缺陷附近金属晶格发生畸变，由此会引起金属的电阻增加，体积膨胀，密度减小；同时可以加速扩散，过饱和点缺陷还可以提高金属的屈服强度。 3-2答：在一定的温度下总是存在一定浓度的空位，这是热力学平衡条件所要求的，这种空位浓度为空位平衡浓度。影响空位浓度的主要因素有空位形成能和温度。 3-3解：由exp(/)E V C A E kT =- 138502201exp(/)111051000 exp[()] 6.9510exp(/)29311238.31 E V E V C A E kT C A E kT -?==-?=?- 3-4解： 6002300112 exp(/)11 exp[()]exp(/)E V V E V C A E kT E C A E kT kT kT -==-?- 56600300121111 ln /()8.61710(ln10)/() 1.98573873 E V E C E eV C kT kT -=-=??-=或190kJ/mol 3-5解：exp(/)e V C A E kT =- exp(/)i i C A E kT '=- 由题设，A A '=，0.76, 3.0v i E eV E eV ==， 所以当T=293K 时 538exp(/)exp()/exp[(3.00.76)/(8.61710293)] 3.3910exp(/) e V i V i i C A E kT E E kT C A E kT --==-=-??=?'-当T=773K 时 514exp(/)exp()/exp[(3.00.76)/(8.61710773)] 4.0210exp(/) e V i V i i C A E kT E E kT C A E kT --==-=-??=?'-3-6答：1为左螺旋位错，2为负刃型位错，3 为右螺旋位错，4为正刃型位错。 3-7答： a) 令逆时针方向为位错环线的正方向，则A 点为正刃型位错，B 点为负刃型位错，D 点为右螺旋位错，C 点为左螺旋位错，位错环上其 b b 2 4

晶体中的缺陷

第三章晶体中的缺陷 第一节概述 一、缺陷的概念 大多数固体是晶体，晶体正是以其特殊的构型被人们最早认识。因此目前(至少在80年代以前>人们理解的“固体物理”主要是指晶体。当然这也是因为客观上晶体的理论相对成熟。在晶体理论发展中，空间点阵的概念非常重要。 空间点阵中，用几何上规则的点来描述晶体中的原子排列，并连成格子，这些点被称为格点，格子被称为点阵，这就是空间点阵的基本思想，它是对晶体原子排列的抽象。空间点阵在晶体学理论的发展中起到了重要作用。可以说，它是晶体学理论的基础。现代的晶体理论基于晶体具有宏观平移对称性，并因此发展了空间点阵学说。 严格地说对称性是一种数学上的操作，它与“空间群”的概念相联系，对它的描述不属本课程内容。但是，从另一个角度来理解晶体的平移对称性对我们今后的课程是有益的。 所谓平移对称性就是指对一空间点阵，任选一个最小基本单元，在空间三维方向进行平移，这个单元能够无一遗漏的完全复制所有空间格点。考虑二维实例，如图3-1所示。 图3-1 平移对称性的示意图 在上面的例子中，以一个基元在二维方向上平移完全能复制所有的点，无一遗漏。这种情况，我们说具有平移对称性。这样的晶体称为“理想晶体”或“完

整晶体”。 图3-2 平移对称性的破坏 如果我们对上述的格点进行稍微局部破坏，那么情况如何?请注意以下的复制过程，如图3-2所示。从图中我们看出：因为局部地方格点的破坏导致平移操作无法完整地复制全部的二维点阵。这样的晶体，我们就称之为含缺陷的晶体，对称性破坏的局部区域称为晶体缺陷。 晶体缺陷的产生与晶体的生长条件，晶体中原子的热运动以及对晶体的加工工艺等有关。事实上，任何晶体即使在绝对零度都含有缺陷，自然界中理想晶体是不存在的。既然存在着对称性的缺陷，平移操作不能复制全部格点，那么空间点阵的概念似乎不能用到含有缺陷的晶体中，亦即晶体理论的基石不再牢固。 幸运的是，缺陷的存在只是晶体中局部的破坏。作为一种统计，一种近似，一种几何模型，我们仍然继承这种学说。因为缺陷存在的比例毕竟只是一个很小的量(这指的是通常的情况）。例如20℃时，Cu的空位浓度为3.8×10-17，充分退火后Fe 中的位错密度为1012m-2<空位、位错都是以后要介绍的缺陷形态）。现在你对这些数量级的概念可能难以接受，那没关系，你只须知道这样的事实：从占有原子百分数来说，晶体中的缺陷在数量上是微不足道的。 因此，整体上看，可以认为一般晶体是近乎完整的。因而对于实际晶体中存在的缺陷可以用确切的几何图形来描述，这一点非常重要。它是我们今后讨论缺陷形态的基本出发点。事实上，把晶体看成近乎完整的并不是一种凭空的假设，大量的实验事实

晶体缺陷

2 晶体缺陷，固溶体合章 1、说明下列符号的含义： V Na，V Na’，V Cl?，.(V Na’V Cl?)，CaK?，CaCa，Cai?? 解：钠原子空位；钠离子空位，带一个单位负电荷；氯离子空位，带一个单位正电荷；最邻近的Na+空位、Cl-空位形成的缔合中心；Ca2+占据K.位置，带一个单位正电荷；Ca原子位于Ca原子位置上；Ca2+处于晶格间隙位置。 2、写出下列缺陷反应式： (1)NaCl溶入CaCl2中形成空位型固溶体； (2)CaCl2溶人NaC1中形成空位型固溶体； (3)NaCl形成肖脱基缺陷； (4)AgI形成弗仑克尔缺陷(Ag+进入间隙)。 解：（1）NaCl Na Ca’+ Cl Cl + V Cl· （2）CaCl2CaNa· + 2Cl Cl + V Na’ （3）O?V Na’ + V Cl· （4）AgAg?V Ag’ + Ag i· 3、弗仑克尔缺陷：晶体内部质点由于热起伏的影响,质点从正常位置位移到晶体内部的间隙位置上,正常位置上出现空位。 4、什么是肖特基缺陷、弗兰克尔缺陷？他们属于何种缺陷，发生缺陷时位置数是否发生变化？ 答：肖特基缺陷：晶体的结构基元，从正常的结点位置上位移到晶体的表面而正常位置上出现了空位，这种缺陷即是。位置数增殖，体积增大。 弗兰克尔缺陷：晶体结构中的结构基元，从正常的结点位置上位移到晶体的间隙位置上，而正常位置上出现了空位，这种缺陷即是。位置数不增殖，体积不增大。 5、什么是非化学计量化合物：化合物原子数量的比例,不符合定比定律,即非简单的固定比例关系。 6、ZrO2中加入Y2O3形成置换固溶体，写出缺陷反应式？ 答：Y2O3 -(2ZrO2)-> 2Yzr‘+3Oo+Vo，Y2O3 -(2ZrO2)-> 2YZr3++2e+3Oo+Vo。。 7、试写出少量MgO掺杂到Al2O3中和少量YF3掺杂到CaF2中的缺陷方程。（a）判断方程的合理性。（b）写出每一方程对应的固溶式。 解：3MgO2++3OO （1） 2MgO2+ +2O O（2） YF3Y?Ca+F?i+2F F （3） 2YF32Y?Ca++6F F （4） （a）书写缺陷方程首先考虑电价平衡，如方程（1）和（4）。在不等价置换时，3Mg2+→2Al3+；2Y3+→3Ca2+。这样即可写出一组缺陷方程。其次考虑不等价离子等量置换，如方程（2）和（3）2Mg2+→2Al3+；Y3+→Ca2+。这样又可写出一组缺陷方程。在这两组方程中，从结晶化学的晶体稳定性考虑，在离子晶体中除

第3章 晶体缺陷 笔记及课后习题详解 (已整理 袁圆 2014.8.6)

第3章晶体缺陷 3.1 复习笔记 一、点缺陷 1．点缺陷的定义 点缺陷是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。 2．点缺陷的特征 尺寸范围约为一个或几个原子尺度，故称零维缺陷，包括空位、间隙原子、杂质或溶质原子。 3．点缺陷的形成 晶体中，位于点阵结点上的原子以其平衡位置为中心作热振动，当某一原子具有足够大的振动能而使振幅增大到一定限度时，就可能克服周围原子对它的制约作用，跳离其原来的位置，使点阵中形成空结点，称为空位。 离开平衡位置的原子有三个去处： （1）迁移到晶体表面或内表面的正常结点位置上，而使晶体内部留下空位，称为肖特基（Schottky）缺陷； （2）挤入点阵的间隙位置，而在晶体中同时形成数目相等的空位和间隙原子，则称为弗仑克尔（Frenkel）缺陷； （3）跑到其他空位中，使空位消失或使空位移位； （4）在一定条件下，晶体表面上的原子也可能跑到晶体内部的间隙位置形成间隙原子 图3.1 晶体中的点缺陷 （a）肖特基缺陷（b）弗伦克尔缺陷（c）间隙原子 4．点缺陷的平衡浓度 （1）点缺陷存在的影响 ①造成点阵畸变，使晶体的内能升高，降低了晶体的热力学稳定性； ②由于增大了原子排列的混乱程度，并改变了其周围原子的振动频率，引起组态熵和振动熵的改变，使晶体熵值增大，增加了晶体的热力学稳定性。 晶体组态熵的增值： 最小，即

式中，Q f为空位形成能，单位为J/mol，R为气体常数，R= 8.31J/(mol·K)。 （2）点缺陷浓度的几个特点 对离子晶体而言，无论是Schottky缺陷还是Frenkel缺陷均是成对出现的事实；同时离子晶体的点缺陷形成能一般都相当大，故在平衡状态下存在的点缺陷浓度是极其微小的。 二、线缺陷 1．位错的定义 晶体中某一列或若干列原子有规律的错排。 2．线缺陷的特征 在两个方向上尺寸很小，另外一个方向上延伸较长，也称一维缺陷。 3．位错 （1）位错的分类 ①刃型位错：晶体的一部分相对于另一部分出现一个多余的半排原子面。 a．刃型位错有一个额外的半原子面，把多出的半原子面在滑移面上边的称为正刃型位错，记为“⊥”；而把多出在下边的称为负刃型位错，记为“Τ”； b．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； c．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； d．刃型位错周围的点阵发生弹性畸变，既有切应变，又有正应变； e．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； ②螺型位错 ：位错线附近的原子是按螺旋形排列的，所以把这种位错称为螺型位错。 a．螺型位错无额外半原子面，原子错排是呈轴对称的； b．根据位错线附近呈螺旋形排列的原子的旋转方向不同，螺型位错可分为右旋和左旋； c．位错线与滑移矢量平行，位错线的移动方向与晶体滑移方向互相垂直； d．滑移面不是唯一的，凡是包含螺型位错线的平面都可以作为它的滑移面； e．位错线周围的点阵也发生了弹性畸变，平行于位错线的切应变而无正应变，则不会引起体积膨胀和收缩，且在垂直于位错线的平面投影上，看不到原子的位移，看不出有缺陷； f．螺型位错周围的点阵畸变随离位错线距离的增加而急剧减少。

武汉理工大学材料科学基础课后习题和答案

第一章绪论 1、仔细观察一下白炽灯泡，会发现有多少种不同的材料每种材料需要何种热学、电学性质 2、为什么金属具有良好的导电性和导热性 3、为什么陶瓷、聚合物通常是绝缘体 4、铝原子的质量是多少若铝的密度为2.7g/cm3，计算1mm3中有多少原子 5、为了防止碰撞造成纽折，汽车的挡板可有装甲制造，但实际应用中为何不如此设计说出至少三种理由。 6、描述不同材料常用的加工方法。 7、叙述金属材料的类型及其分类依据。 8、试将下列材料按金属、陶瓷、聚合物或复合材料进行分类： 黄铜钢筋混凝土橡胶氯化钠铅-锡焊料沥青环氧树脂镁合金碳化硅混凝土石墨玻璃钢 9、 Al2O3陶瓷既牢固又坚硬且耐磨，为什么不用Al2O3制造铁锤 第二章晶体结构 1、解释下列概念 晶系、晶胞、晶胞参数、空间点阵、米勒指数（晶面指数）、离子晶体的晶格能、原子半径与离子半径、配位数、离子极化、同质多晶与类质同晶、正尖晶石与反正尖晶石、反萤石结构、铁电效应、压电效应. 2、（1）一晶面在x、y、z轴上的截距分别为2a、3b、6c，求出该晶面的米勒指数；（2）一晶面在x、y、z轴上的截距分别为a/ 3、b/2、c，求出该晶面的米勒指数。 3、在立方晶系的晶胞中画出下列米勒指数的晶面和晶向：（001）与[210]，（111）与[112]，（110）与[111]，（322）与[236]，（257）与[111]，（123）与[121]，（102），（112），（213）， [110]，[111]，[120]，[321] 4、写出面心立方格子的单位平行六面体上所有结点的坐标。 5、已知Mg2+半径为，O2-半径为，计算MgO晶体结构的堆积系数与密度。 6、计算体心立方、面心立方、密排六方晶胞中的原子数、配位数、堆积系数。 7、从理论计算公式计算NaC1与MgO的晶格能。MgO的熔点为2800℃，NaC1为80l℃, 请说明这种差别的原因。 8、根据最密堆积原理，空间利用率越高，结构越稳定，金钢石结构的空间利用率很低(只有％)，为

郑州大学无机材料科学-试题精选-第3章 晶体缺陷

第３章晶体缺陷 试题精选加入时间： 简答 1、指出图中位错环的各段位错是什么性质的位错，它们在外应力作用下将如何运动？ 2、在铜单晶的（111）面上有一个的右旋螺位错，式中a=0.36nm,今沿[001]方向拉伸，拉应力为106Pa,求作用在螺位错上的力。 3、在图中位错环ABCDA是通过环内晶体发生滑移而环外晶体不滑移形成的。在滑移时滑移面上部的晶体相对于下部晶体沿oy轴滑动了距离b1。此外，在距离位错为d 处有一根垂直于环面的右旋螺位错，其柏氏矢量为b2。 （1）求出和各段位错的类型。 （2）求出对上述各段位错的作用力。在此力作用下位错环ABCDA将变成什么形

状？ （3）若位错沿oy方向运动而穿过位错环，请画出交割以后各位错的形状（要求指出割阶的位置和长度。）（图未画） 4、判断下列位错反应能否进行？若能进行，试在晶胞上作出矢量关系图。 (a)(b) (c)(d) (e)。 5、(a)MgO晶体中，肖特基缺陷的生成能为6ev，计算在25°C和 1600°C时热缺陷的浓度。 (b)如果MgO晶体中，含有百分之一mol的Al2O3杂质，则在1600°C时，MgO晶体中是热缺陷占优势还是杂质缺陷占优势？说明原因。 6、对MgO晶体的缺陷测定生成能为84KJ/mol,计算该晶体在1000K和1500K时的缺陷浓度。 7、非化学计量化合物FexO中，Fe3+/Fe2+=0.1，求FexO中的空位浓度及x值。 8、(a)在MgO晶体中，肖特基缺陷的生成能为6ev，计算在25°C和1600°C时热缺陷的浓度。 (b)如果MgO晶体中，含有百万分之一的Al2O3杂质，则在1600°C时，MgO晶体中是热缺陷占优势还是杂质缺陷占优势？说明原因。 9、对某晶体的缺陷测定生成能为84千焦/摩尔，计算该晶体在1000K和1500K时的缺

固溶体

第三章晶体结构缺陷 3.2 固溶体 实际生产中得到的无机材料几乎都不是理想晶体，因为在结构中不仅存在着空位、间隙原子等各种可能的缺陷，而且还经常有外组份的“掺杂”，导致成分和结构都不同于理想晶体，从而形成了各种不同类型的固溶体。从无机材料的发展过程来看，固溶体占有重要的地位，而且这种作用和地位还在进一步加强，人们正在不断地利用物质间形成固溶体这一途径，发展和合成着各种性能优异的新材料。 一、固溶体的概念 外来的杂质进入晶体便形成点缺陷，如果外来物质：在一定范围内量不变；不与原来的质点发生化学反应形成化合物；不改变原来晶体结构，则可将所形成的固体物质称为固溶体，亦固态溶液。由固体溶质和溶剂所组成的均匀固体溶液。 液体可以改变溶质浓度仍旧是单一相，固溶体也有同样特性，所以可以这样定义：一种组分内溶解其他组分而仍旧保持单一均匀的相的固体称为固溶体。 从结构上来看，对于原来溶剂来说，外加的物质是杂质其原子尺寸，电子组态，极化性能，电价等也不相同，所以将影响晶体的性能，如熔点，导电性等性质要发生变化，当我们掌握其规律，使之沿我们所需要的方向发展，就对人们更加有用。 选岩矿物除石英外，都是固溶体，在层状结构矿物中，阳离子取代是经常发生的，水泥熟料中C3S称阿利特，陶瓷中的A3S2（莫来石）都是固溶体，锆钛酸盐的压电陶瓷为锆酸盐和钛酸铅固溶体。 二、固溶体的分类 在无机材料中各种类型的固溶体很多。对固溶体可以从不同的角度进行分类。 （一）按照外来质点在晶格中的位置分类 固溶体实际是一种杂质缺陷，外来杂质的质点进入主晶体晶格后可以占据不同的位置。根据溶质质点在溶剂晶格中的位置可以将固溶体分为两类： 1．置换型固溶体 溶质原子进入溶剂晶格后占据某些结点位置，这种固溶体称置换型固溶体型，这是硅酸盐中最重要的固溶体，根据硅酸盐结构的特点，多数是离子晶体。例如MgO溶入CoO时，Co2+进入溶剂MgO的晶格后取代Mg2+离子，占据Mg2+离子的位置所形成的便是置换型固溶体，如图所示：

名词解释

名词解释 弗伦克尔缺陷：在晶格热振动时，一些能量足够大的原子离开平衡位置后，挤到晶格点的间隙中，形成间隙原子，而原来位置上形成空位。这种缺陷称为弗伦克尔缺陷。 肖特基缺陷：如果正常格点上的原子，热起伏过程中活的能量离开平衡位置迁移到晶体的表面，在晶体内正常格点上留下空位，这即是肖特基缺陷。 刃型位错：伯格斯矢量b与位错线垂直的位错称为刃型位错。 螺形位错：位错线和滑移方向（伯格斯矢量b）平行，由于位错线垂直的平行面不是水平的，而是像螺旋形的，故称螺旋位错。 类质同晶：物质结晶时，其晶体结构中原有离子或原子的配位位置被介质中部分类质类似的它种离子或原子占存，共同结晶成均匀的，单一的混合晶体，但不引起键性。 同质多晶：化学组成相同的物质，在不同的热力学条件下结晶或结构不同的晶体。 正尖晶石：二价阳离子分布在1/8四面体空隙中，三价阳离子分布在1/2八面体空隙的尖晶石。 反尖晶石：如果二价阳离子分布在八面体空隙中，而三价阳离子一半在四面体空隙中，另一半在八面体空隙中的尖晶石。 晶子学说：硅酸盐玻璃是由无数“晶子”组成，“晶子”的化学性质取决于玻璃的化学组成。所谓“晶子”不同于一般微晶，而是带有晶格变形的有序区域，在“晶子”中心质点排列较有规律，愈远离中心则变形程度愈大。“晶子”分散在无定形部分的过渡是逐步完成的，两者之间无明显界线。晶子学说的核心是结构的不均匀性及进程有序性。 无规则网络学说：凡是成为玻璃态的物质和相应的晶体结构一样，也是由一个三度空间网络所构成。这种网络是由离子多面体（三角体或四面体）构筑起来的。晶体结构网是由多面体无数次有规律重复构成，而玻璃中结构多面体的重复没有规律性。 分化过程:架状[SiO4]断裂称为熔融石英的分化过程。 缩聚过程:分化过程产生的低聚化合物相互发生作用，形成级次较高的聚合物，次过程为缩聚过程。 网络形成剂：正离子是网络形成离子，单键强度大于335?kJ/mol，能单独形成玻璃的氧化物。 网络变性剂：正离子是网络变性离子，单键强度小于250KJ/mol，不能单独形成玻璃，但能改变玻璃网络结构和性质的氧化物。?单键强度：化合物的分解能除以化合物的配位数得出的商数即为单键强度。 表面：固体的表面现象与液体相似，通常把一个相与它本身蒸汽接触的分界面称为表面。

晶体中的缺陷

晶体中的缺陷及其对材料性能的影响 前言 晶体的主要特征是其中原子（或分子）的规则排列，但实际晶体中的原子排列会由于各种原因或多或少地偏离严格的周期性，于是就形成了晶体的缺陷，晶体中缺陷的种类很多，它影响着晶体的力学、热学、电学、光学等各方面的性质。晶体的缺陷表征对晶体 理想的周期结构的任何形式的偏离。 晶体缺陷的存在，破坏了完美晶体的有序性，引起晶体内能U和熵S增加。按缺陷在空间的几何构型可将缺陷分为点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷，它们分别取决于缺陷的延伸范围是零维、一维、二维还是三维来近似描述。每一类缺陷都会对晶体的性能产生很大影响，例如点缺陷会影响晶体的电学、光学和机械性能，线缺陷会严重影响晶体的强度、电性能等。 一、晶体缺陷的基本类型 点缺陷 1、点缺陷定义 由于晶体中出现填隙原子和杂质原子等等，它们引起晶格周期性的破坏发生在一个或几个晶格常数的限度范围内，这类缺陷统称为点缺陷。这些空位和填隙原子是由热起伏原因所产生的，因此又称为热缺陷。

2、空位、填隙原子和杂质 空位：晶体内部的空格点就是空位。由于晶体中原子热运动，某些原子振动剧烈而脱离格点跑到表面上，在内部留下了空格点，即空位。 填隙原子：由于晶体中原子的热运动，某些原子振动剧烈而脱离格点进入晶格中的间隙位置，形成了填隙原子。即位于理想晶体中间隙中的原子。 杂质原子：杂质原子是理想晶体中出现的异类原子。 3、几种点缺陷的类型 弗仑克尔缺陷：原子（或离子）在格点平衡位置附近振动，由于非线性的影响，使得当粒子能量大到某一程度时，原子就会脱离格点，而到达邻近的原子空隙中，当它失去多余动能后，就会被束缚在那里，这样产生一个暂时的空位和一个暂时的填隙原子，当又经过一段时间后，填隙原子会与空位相遇，并同空位复合；也有可能跳到较远的间隙中去。若晶体中的空位与填隙原子的数目相等，这样的热缺陷称为弗仑克尔缺陷。 肖特基缺陷：空位和填隙原子可以成对地产生(弗仑克尔缺陷），也可以在晶体内单独产生。若脱离格点的原子变成填隙原子，经过扩散跑到晶体表面占据正

晶体结构缺陷

56 第二章 晶体结构缺陷 我们在讨论晶体结构时，是将晶体看成无限大，并且构成晶体的每个粒子（原子、分子或离子）都是在自己应有的位置上，这样的理想结构中，每个结点上都有相应的粒子，没有空着的结点，也没有多余的粒子，非常规则地呈周期性排列。实际晶体是这样的吗？测试表明，与理想晶体相比，实际晶体中会有正常位置空着或空隙位置填进一个额外质点，或杂质进入晶体结构中等等不正常情况，热力学计算表明，这些结构中对理想晶体偏离的晶体才是稳定的，而理想晶体实际上是不存在的。结构上对理想晶体的偏移被称为晶体缺陷。 实际晶体或多或少地存在着缺陷，这些缺陷的存在自然会对晶体的性质产生或大或小的影响。晶体缺陷不仅会影响晶体的物理和化学性质，而且还会影响发生在晶体中的过程，如扩散、烧结、化学反应性等。因而掌握晶体缺陷的知识是掌握材料科学的基础。 晶体的结构缺陷主要类型如表2—1所示。这些缺陷类型，在无机非金属材料中最基本和最重要的是点缺陷，也是本章的重点。 表2—1 晶体结构缺陷的主要类型 2.1 点缺陷 研究晶体的缺陷，就是要讨论缺陷的产生、 缺陷类型、浓度大小及对各种性质的影响。60 年代，F ．A ．Kroger 和H ．J ．Vink 建立了比较 完整的缺陷研究理论——缺陷化学理论，主要 用于研究晶体内的点缺陷。点缺陷是一种热力 学可逆缺陷，即它在晶体中的浓度是热力学参 数（温度、压力等）的函数，因此可以用化学 热力学的方法来研究晶体中点缺陷的平衡问 题，这就是缺陷化学的理论基础。点缺陷理论 的适用范围有一定限度，当缺陷浓度超过某一 临界值(大约在0．1原子％左右)时，由于缺陷的 相互作用，会导致广泛缺陷（缺陷簇等）的生 成，甚至会形成超结构和分离的中间相。但大多数情况下，对许多无机晶体，即使在高温 下点缺陷的浓度也不会超过上述极限。 缺陷化学的基本假设：将晶体看作稀溶液，将缺陷看成溶质，用热力学的方法研究各种缺陷在一定条件下的平衡。也就是将缺陷看作是一种化学物质，它们可以参与化学反应——准化学反应，一定条件下，这种反应达到平衡状态。 2.1.1 点缺陷的类型 点缺陷主要是原子缺陷和电子缺陷，其中原子缺陷可以分为三种类型： (1)空位：在有序的理想晶体中应该被原子占据的格点，现在却空着。 (2)填隙原子：在理想晶体中原子不应占有的那些位置叫做填隙（或间隙）位置，处于填隙（或间隙）位置上的原子就叫填隙（或间隙）原子。 (3)取代原子：一种晶体格点上占据的是另一种原子。如AB 化合物晶体中，A 原子占据了B 格点的位置，或B 原子占据了A 格点位置（也称错位原子）；或外来原子(杂质原子)占据在A

晶体缺陷的三种形式

晶体缺陷的三种形式 晶体缺陷（crystal defects）是指晶体内部结构完整性受到破坏的所在位置。按其延展程度可分成点缺陷、线缺陷和面缺陷。 在理想完整的晶体中，原子按一定的次序严格地处在空间有规则的、周期性的格点上。但在实际的晶体中，由于晶体形成条件、原子的热运动及其它条件的影响，原子的排列不可能那样完整和规则，往往存在偏离了理想晶体结构的区域。这些与完整周期性点阵结构的偏离就是晶体中的缺陷，它破坏了晶体的对称性。 晶体结构中质点排列的某种不规则性或不完善性。又称晶格缺陷。表现为晶体结构中局部范围内，质点的排布偏离周期性重复的空间格子规律而出现错乱的现象。根据错乱排列的展布范围,分为下列3种主要类型。 ①点缺陷，只涉及到大约一个原子大小范围的晶格缺陷。它包括:晶格位置上缺失正常应有的质点而造成的空位;由于额外的质点充填晶格空隙而产生的填隙；由杂质成分的质点替代了晶格中固有成分质点的位置而引起的替位等（图1）。在类质同象混晶中替位是一种普遍存在的晶格缺陷。

图1 ②线缺陷—位错位错的概念1934年由泰勒提出到1950年才被实验所实具有位错的晶体结构，可看成是局部晶格沿一定的原子面发生晶格的滑移的产物。滑移不贯穿整个晶格，晶体缺陷到晶格内部即终止，在已滑移部分和未滑移部分晶格的分界处造成质点的错乱排列，即位错。这个分界外，即已滑移区和未滑移区的交线，称为位错线。位错有两种基本类型：位错线与滑移方向垂直，称刃位错，也称棱位错；位错线与滑移方向平行，则称螺旋位错。刃位错恰似在滑移面一侧的晶格中额外多了半个插入的原子面，后者在位错线处终止（图2）。螺旋位错在相对滑移的两部分晶格间产生一个台阶，但此台阶到位错线处即告终止，整个面网并未完全错断，致使原来相互平行的一组面网连成了恰似由单个面网所构成的螺旋面。

矿物学中的晶体缺陷与物理性质

矿物学中的晶体缺陷与物理性质矿物学是地球科学中一个重要的分支，与地质学、化学等学科密切相关。在矿物学中，晶体缺陷是一个重要的研究方向，它涉及到矿物的内部结构和物理性质，对于我们了解地球物质的构成和变化有着重要的意义。 晶体缺陷是指晶体结构中存在的缺陷或畸变，它可以影响晶体的物理性质和化学性质。晶体缺陷可以分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。点缺陷是指在晶体结构中一个或多个原子缺失、增多或替代，这种缺陷会改变晶体的电子结构和光学性质。线缺陷是指晶体中存在一条或多条错位、位错、蝴蝶位错等几何缺陷，这种缺陷会影响材料的强度和导电性。面缺陷是指晶体结构中存在的层错、晶格畸变等结构缺陷，这种缺陷会影响晶体的磁性和声学性质。 在矿物学中，晶体缺陷研究的重点一般是某些具有重要地质意义的矿物，如石英、方铅矿、黄铁矿、磁铁矿等。以石英为例，它是一种常见的矿物，在地球中广泛存在。石英的晶体结构是由SiO4四面体构成的，四面体之间通过氧原子组成了一种三维网状结构。在石英的结构中，经常会存在一些点缺陷，如氢原子或铝

原子的替代。这些点缺陷会影响石英的物理性质，如透明度、硬度和热膨胀系数等。 除了点缺陷，线缺陷也是矿物学中的研究热点。线缺陷可以分为位错、错配原子行、蝴蝶位错等多种类型。在方铅矿中，广泛存在一种类型的线缺陷——阳极位错，它是由于方铅矿中存在的硫和铅离子结构异性引起的。阳极位错会影响方铅矿的强度和断裂韧性，因此在矿山开采中需要特别注意。 面缺陷是矿物学中另一个重要的研究领域。面缺陷可以分为层错、晶格畸变等类型。在黄铁矿中，经常存在晶格畸变导致的面缺陷。黄铁矿的晶体结构是由S2-、Fe2+、Fe3+组成的，它们是以八面体或四面体的形式配位排列的。当Fe2+和Fe3+离子发生氧化还原反应时，会使黄铁矿的晶格发生畸变，这种畸变会显著影响黄铁矿的磁性和电性质。 总的来说，晶体缺陷在矿物学中的研究是十分重要的。晶体缺陷的存在会影响矿物的物理性质和化学性质，为我们了解地球物质的构成和变化提供了重要的线索。同时，通过对矿物中晶体缺陷的研究，也可以为矿山开采和材料工程等领域的发展提供重要的参考。

晶格的缺陷

晶格的缺陷 晶格的缺陷是指晶体结构中存在的各种不完美或异常的位置或排列。这些缺陷对晶体的物理、化学性质以及材料的性能都会产生重要影响。本文将从点缺陷、线缺陷和面缺陷三个方面，介绍晶格缺陷的种类、产生原因以及对材料性能的影响。 一、点缺陷 1. 点缺陷是指晶体中原子或离子的位置发生变化或缺失。常见的点缺陷有原子间隙、空位、间隙原子、杂质原子等。 2. 原子间隙是指晶体中存在的原子无法占据的空间，通常是由于晶格结构的不完美而形成。原子间隙的存在会导致晶体的密度降低，同时对电子和热的传导产生影响。 3. 空位是指晶体中原子位置上缺失了一个原子。空位会导致晶格的局部变形，降低晶体的机械强度和热稳定性。 4. 间隙原子是指晶体中存在的非晶体或空气中的原子进入了晶体中的间隙位置。间隙原子的存在会改变晶体的电子结构和热导率。 5. 杂质原子是指晶体中存在的与晶格原子不同种类的原子。杂质原子的加入会改变晶体的导电性、磁性以及光学性质。 二、线缺陷 1. 线缺陷是指晶体结构中存在的一维缺陷，通常是晶体中原子排列发生错位或缺失。 2. 赝位错是指晶体中两个晶格面之间的原子排列发生错位，即晶体

中的原子位置发生了偏移。赝位错会导致晶体的机械强度下降，同时也会引起晶体的局部形变。 3. 堆垛错是指晶体中两个晶格面之间的原子排列发生缺失或添加。堆垛错会导致晶体局部的结构畸变，进而影响晶体的热稳定性和电子传导性能。 4. 螺错是指晶体中原子排列沿晶体的某一方向发生了扭曲，形成了一种螺旋形的缺陷。螺错会导致晶体的机械强度下降，同时也会引起晶体的局部形变。 三、面缺陷 1. 面缺陷是指晶体结构中存在的二维缺陷，通常是晶格面的错位、缺失或添加。 2. 晶界是指晶体中两个晶粒之间的界面。晶界是晶体中最常见的面缺陷，其形成原因包括晶体生长过程中的结晶不完全以及晶体在变形过程中的再结晶。晶界会对晶体的力学性能、电学性能以及化学反应产生显著影响。 3. 双晶是指晶体中存在两个晶界的结构。双晶是晶体中一种特殊的面缺陷，其存在会导致晶体的形变集中和应力集中，从而降低晶体的机械性能。 4. 双晶界是指晶体中两个晶粒界面上的原子排列存在错位。双晶界的存在会导致晶体的局部结构畸变，从而影响晶体的机械性能和电学性能。

化学物质的晶体缺陷

化学物质的晶体缺陷 晶体是由具有有序排列的原子、离子或分子所构成的，具有高度有 规律性的结构。然而，在晶体中，可能会存在一些缺陷，这些缺陷会 对晶体的性质和应用产生重要影响。本文将探讨化学物质晶体的缺陷 种类、形成原因以及对晶体性质的影响。 一、点缺陷 点缺陷是晶体中最简单的缺陷类型，它是晶体中某个晶胞中原子、 离子或分子的缺失或替代引起的。点缺陷包括空位、间隙原子、替代 原子和杂质原子等。 1. 空位：晶体中原子、离子或分子离开的位置称为空位。空位的存 在可以导致原子的扩散行为和晶体的松散结构。 2. 间隙原子：晶体中的间隙原子是过渡金属晶体中的一种常见缺陷，它占据了晶体原子间的间隙位置，导致晶体具有非整数的化学式。 3. 替代原子：当其他原子取代晶胞内的某个位置时，就会产生替代 原子缺陷。替代原子的尺寸和电性与原晶体原子不同，从而改变了晶 体的性质。 4. 杂质原子：来自于其他元素的原子进入晶体的替代位置或间隙位置，称为杂质原子。杂质原子可能引起晶格畸变、电子能级变化和良 好的半导体特性的改变。 二、面缺陷

面缺陷是指晶体中存在的附着在晶体面上，或在晶格平面内的缺陷。面缺陷种类包括层错、界面和晶界缺陷等。 1. 层错：晶体中由于某些晶胞的错位而形成的平行于晶体表面的面 错位称为层错。层错会导致晶体内部的应力集中和晶体强度的降低。 2. 界面：不同晶体的晶界接触处形成的缺陷称为界面缺陷。界面缺 陷会对晶体的光学、电学和磁学性质产生显著影响。 3. 晶界缺陷：晶界是晶体中两个晶粒之间的界面，晶体生长过程中，阻止晶格错配的晶粒之间形成晶界缺陷。晶界缺陷对晶体的力学性质 和电学性质具有重要影响。 三、体缺陷 体缺陷是指分布在晶体体积内部的缺陷，包括两种类型：体积缺陷 和空间位错。 1. 体积缺陷：晶体中通过一处或多处晶胞形成的体积缺陷，包括晶 胞的增大、缩小和变形等。体积缺陷可以降低晶体的密度，并产生激 活晶体的热稳定性。 2. 空间位错：晶体中的空间位错是由于晶胞中原子的增加或减少而 引起的，产生了晶胞间的错位。这种错位会影响晶体的机械性能和导 电性。 晶体缺陷的形成原因

第三章晶体缺陷

第三部分晶体缺陷 概述：晶体缺陷即实际晶体偏离理想晶体结构的情况；根据其几何特征可分为点缺陷、线缺陷、和面缺陷三类。了解晶体缺陷有利于分析和研究对结构敏感的性能的变化规律。相变、扩散、塑性变形、再结晶及氧化、烧结等现象对探索晶体材料中的奥秘和推动材料科学的发展起着重要的作用。 第一节点缺陷 点缺陷指在三维空间的各个方向尺寸都很小，约为一个或几个原子尺寸，包括空位、间隙原子、杂质或溶质原子。 1.点缺陷的形成 肖特基缺陷：离开平衡位置的原子迁移到晶体表面或内表面的正常结点位置而留下的空位； 弗仑克尔缺陷：离开平衡位置的原子挤入点阵的间隙位置，而在晶体中同时形成数目相等的空位和间隙原子。 空位的形成能（Ev）：在晶体内取出一个原子放在晶体表面上（但不改变晶体表面的表面积和表面能）所需要的能量。 热平衡点缺陷：由于热起伏促使原子脱离阵点位置而形成的缺陷。 过饱和点缺陷：晶体中点缺陷浓度超过点缺陷平衡浓度。 过饱和点缺陷获得的方式：☆ Ⅰ高温淬火Ⅱ冷变形加工（塑性变形）Ⅲ高能离子辐照

离子晶体中的缺陷： 电荷缺陷：由于电子转移而使晶体内电场发生变化，引起周围势场的畸变，造成晶体的不完整性。 Vch色心：电子空穴被束缚在正离子空位上形成的缺陷（呈正电性，用P表示）；Fch色心：自由电子被束缚在负离子空位上而形成的缺陷（呈负电性，可用N表示）。 点缺陷存在的原因：热起伏或能量起伏，因此说点缺陷是热力学上稳定的缺陷。☆ 2.点缺陷的平衡浓度☆ 点缺陷的平衡浓度的计算： ：点缺陷的形成能 点缺陷平衡浓度公式的导出： 由热力学原理可知：在恒温下，系统的自由能满足：F=U-TS S：总熵值，包括组态熵Sc和振动熵Sf 设由N个原子组成的晶体中含有n个空位，若形成一个空位所需的能量为Ev，则晶体中含有n个空位时，内能的增加为△U=nEv,组态熵变为△Sc，振动熵变为n△Sf,则自由能变为：

晶体中的结构缺陷试题及答案

晶体中的结构缺陷试题及答案 1、纯铁中空位形成能为105KJ/mol ，将纯铁加热到850℃后激冷至室温（20℃），若高温下的空位能全部保留。试求过饱和空位浓度和平衡空位浓度的比值 解： 13 21221220110102.558.31exp )11231 2931(/31.8/10105exp )11(exp )exp(:20)exp(:850⨯==-⨯⨯=-=∴-=-=mol J mol J T T R Q C C RT Q A C C RT Q A C C 2、画一个园形位错环，并在这个平面上任意划出它的柏氏矢量及位线的方向，据此指出位错环各线段的性质，注意指明刃型位错的正负及螺型位错的左右？ 答：A 点负刃型位错。C 点正刃型位错。 B 点左螺型位错。D 点为右螺型位错。 其余各段为混合位错。 3、某晶体中一条柏氏矢量为[]001a 的位错线，位错的一端位于晶体表面，另一端

和两条位错线相连接。其中一条的柏矢量为⎥⎦ ⎤ ⎢⎣⎡-1112a ，求另一条位错线的柏氏矢量。 解：据 [][] 1 112 1112001,,023321a b b a a b b b bi =∴+⎥⎦⎤⎢⎣⎡=+==→-→ → → ∑即 由已知， [][]2 13212121213333 2121,,,.,,001,010→ → → → → +=∴+++==b b b b b B B B B e e B B e e e e a e a e 的柏氏矢量为柏氏回路相重合而的柏氏回路可以和位错前进并扩大时作回路对相交的位错为设和4、在铝试样中，测得晶粒内部位错密度为2 9105-⨯cm ，假定位错全部集中在亚晶界上，每个晶粒的截面均为正六边形，亚晶的倾斜角为5度，若位错全部是刃型位错 []1012 a b = ，柏氏矢量大小等于m 10102-⨯，试求亚晶界上位错间距和亚晶的平均尺寸。 解： []()()nm d nm nm D nm cm nm cm nm b D m a a m a OA 72.39636.198236.1988728.2:28.287 6 1056: 101,/105/105,228.25 0175.0102,110828.210221022 2,10210122 722290 10 10101010=⨯==⨯∴==⨯= =⨯=⨯==⨯⨯==⨯=⨯=⇒⨯=⨯=-----则晶粒外接圆直径六边形边长为根数为上则每条边上有位错晶上即正六边形六条边依题义位错全部集中亚为 由图可见 ρ ρϑ 5、铝单晶体沿[010]方向承受8000pa 的拉应力，求（111）面上柏氏矢量⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎣⎡=-→ 1102a b 的螺型位错上所受的法向力，（已知a=0.4nm ） 解：