固体光谱学 第五章 杂质和缺陷态光谱
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固态物理学中的晶格缺陷和杂质引言在固态物理学中,晶体是研究的重点之一。
晶体是由一定规则排列的原子或分子构成的,具有高度有序的结构。
然而,在实际应用和生产过程中,晶体中常常存在着各种各样的缺陷和杂质。
本文将通过对晶格缺陷和杂质的探讨,展示它们在固态物理学中的重要性和影响。
一、晶格缺陷1. 点缺陷点缺陷是晶体中最简单的缺陷形式。
它们可以是缺失了一个或多个原子的位置,或者是插入了一个或多个附加原子的位置。
点缺陷的存在对晶体的物理性质和化学性质产生重要影响。
例如,空位缺陷是一种常见的点缺陷形式。
晶体中的空位缺陷可以使晶体的导电率降低或增加,因为它们可以提供自由的电子或空穴用于电荷传输。
此外,空位缺陷还会对晶体的热导率、力学性能和光学性质产生影响。
2. 线缺陷除了点缺陷,还存在着线缺陷。
线缺陷是晶体中原子排列顺序的局部改变,通常形成晶体中的界面或晶体中的位错。
位错是晶体中最常见的线缺陷形式之一。
位错不仅可以改变晶体的力学性质,还可以影响晶体的导电性、热导性和光学性质。
事实上,位错是材料的强度和塑性的重要起因之一,它能够在晶体中改变原子的排列,从而使材料具有更好的弯曲性和延展性。
3. 面缺陷晶体中的面缺陷是晶格缺陷中最复杂的形式之一。
它们包括晶面、晶粒边界和相界面等。
晶面是晶体中平面的缺陷形式。
晶面的存在会对晶体的力学性质、电子性质和表面化学反应等产生影响。
例如,晶面的形状和取向可能会决定晶体的光学性质和生长方向。
晶粒边界是由不同晶粒之间的界面构成的。
晶粒边界可以影响材料的结晶度、导电性和塑性等。
相界面是晶体中不同相之间的界面。
相界面的存在可以导致晶体中出现相变、形成新的晶体结构和改变材料的热导性、力学性质和电子性质等。
二、晶格杂质除了晶格缺陷,杂质也是固态物理学中重要的研究对象。
杂质是指处于晶体中的与晶体中原子组成和排列不同的原子或分子。
杂质的存在对晶体的性质产生显著影响。
它们可以改变晶体的电子能带结构、晶格常数和电子性质等。
固体缺陷书1. 引言固体缺陷是固体材料中的一种普遍现象。
它们可以是晶格中的原子或离子的位置偏移、缺失或多余,也可以是晶格中的结构缺陷,如晶界、位错和空隙等。
固体缺陷对材料的物理和化学性质产生了重要影响,因此对其进行深入研究具有重要意义。
2. 固体缺陷的分类根据固体缺陷形成原因和性质的不同,可以将固体缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷。
2.1 点缺陷点缺陷是指晶格中某个位置上原子或离子与理想位置有所偏离。
常见的点缺陷包括空位、间隙原子、杂质原子等。
•空位:指晶格中某个位置上没有占据的原子或离子。
空位可以通过热激活或辐射引起。
•间隙原子:指在晶格中出现在正常占据位置之间的额外原子或离子。
它们通常由于封闭过程或高温下的快速扩散而形成。
•杂质原子:指替代了晶格中某个位置上的原子或离子的外来原子或离子。
杂质原子可以影响材料的电学、磁学和光学性质。
2.2 线缺陷线缺陷是指晶格中某一维方向上的缺陷,包括位错和脆化性晶界。
•位错:指晶体中原子排列出现周期性偏移或错位。
位错可以影响材料的机械、热学和电学性质。
•脆化性晶界:是由于晶界处原子排列不完美引起的,使材料在该区域变得脆弱。
2.3 面缺陷面缺陷是指晶格中某个平面上的缺陷,如孪生、多晶和堆垛层错等。
•孪生:是指沿着特定方向形成对称镜像排列的两个区域。
孪生可以改变材料的力学、磁学和光学性质。
•多晶:是由多个晶粒组成的材料。
多晶结构中存在许多晶界,对材料的力学性能和导电性能产生重要影响。
•堆垛层错:是晶体中某些原子或离子的堆垛顺序发生错误。
堆垛层错可以改变材料的磁学、电学和光学性质。
3. 固体缺陷的影响固体缺陷对材料的物理和化学性质产生重要影响。
•电学性质:固体缺陷可以改变材料的导电性能。
例如,杂质原子可以引入额外的载流子,从而增加材料的电导率。
•磁学性质:固体缺陷对磁性材料的磁化行为有显著影响。
位错和孪生等线缺陷可以改变磁畴结构,从而影响磁性。
•光学性质:固体缺陷可以改变材料对光的吸收、散射和发射行为。
第2节点缺陷5.2.1 分类1. 按照位置和成分分类1)空位:正常结点没有被原子或离子所占据,成为空结点,称为空位或空穴,参见图5-1。
2)填隙质点:原子或离子进入晶体中正常结点之间的间隙位置,成为填隙原子(或离子)或间隙原子(或离子)。
从成分上看,填隙质点可以是晶体自身的质点,也可以是外来杂质的质点,参见图5-2。
3)杂质缺陷:外来杂质质点进入晶体中就会生成杂质缺陷,从位置上看,它可以进入结点位置,也可以进入间隙位置,参见图5-3。
杂质原子(或离子)如取代原来晶格中的原子(或离子)而进入正常结点的位置,称为取代原子(或离子);杂质原子(或离子)如进入结点之间的间隙位置,那么生成间隙式杂质原子(或离子)。
杂质进入晶体中可以看成是一个溶解过程,杂质为溶质,原来晶体为溶剂,这种溶解了杂质原子(或离子)的晶体称为固体溶液,简称固溶体,将在后面章节进行详细介绍。
2. 按照缺陷产生原因分类1)热缺陷:当晶体的温度高于0K时,由于晶格上质点热振动,使一部分能量较高的质点离开平衡位置而造成缺陷,这种缺陷称为热缺陷。
热缺陷有两种形式:弗仑克尔缺陷(Frenkel)和肖特基缺陷(Schottky)。
(1)弗仑克尔缺陷:在晶格热振动时,一些能量较大的质点离开平衡位置后,进入到间隙位置,形成间隙质点,而在原来位置上形成空位,这种缺陷称为弗仑克尔缺陷,如图5-4(a)所示。
它的特点是间隙质点与空位总是成对出现。
从能量状态分析,间隙质点的能量要高于结点位置上的能量,因此形成弗仑克尔缺陷需要克服较高的位垒。
由于间隙质点能态高,因而它处于一种亚稳定状态,当其周围存在空位时,就有可能重新与空位复合,回到能态较低的结点平衡位置。
为了实现与空位复合,它仍然需要克服一定的势垒u(见图5-5)。
间隙质点也有可能获得足够能量迁移到邻近其他间隙位置。
在一定温度下,对一定材料来说,弗仑克尔缺陷的数目是一定的,并且无规则地均匀分布在整个晶体材料中。