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3.1晶体结构缺陷的类型——材料科学基础课件PPT

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3_《材料科学基础》第三章_晶体结构缺陷((上)

3_《材料科学基础》第三章_晶体结构缺陷((上)

点缺陷（零维缺陷）--原子尺度的偏离.
按 缺
例：空位、间隙原子、杂质原子等
陷 线缺陷（一维缺陷）--原子行列的偏离.
的
例：位错等
几 何
面缺陷（二维缺陷）--表面、界面处原子排列混乱.
形
例：表面、晶界、堆积层错、镶嵌结构等
态 体缺陷（三维缺陷）--局部的三维空间偏离理想晶体的周期性
例：异相夹杂物、孔洞、亚结构等
1、 固溶体的分类
(1) 按杂质原子的位置分： 置换型固溶体—杂质原子进入晶格中正常结点位置而取代基
质中的原子。例MgO-CoO形成Mg1-xCoxO固溶体。 间隙型固溶体—杂质原子进入晶格中的间隙位置。
有时俩
(2)按杂质原子的固溶度x分： 无限（连续）固溶体—溶质和溶剂任意比例固溶(x=0~1)。
多相系统
均一单相系统
Compounds AmBn
原子间相互反应生成
均一单相系统
结构
各自有各自的结构
A structure
structure
+ B structure
结构与基质相同 A structure
结构既不同于A也不同于B New structure
化学计量 A/B
不定
固溶比例不定
m:n 整数比或接近整数比的一定范围内
四、固溶体Solid solution（杂质缺陷）
1、固溶体的分类 2、置换型固溶体 3、间隙型固溶体 4、形成固溶体后对晶体性质的影响 5、固溶体的研究方法
①固溶体：含有外来杂质原子的单一均匀的晶态固体。 例：MgO晶体中含有FeO杂质 → Mg1-xFexO
基质 溶剂 主晶相
杂质 溶质 掺杂剂
萤石CaF2(F-空位)

《晶体结构缺陷》PPT课件

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面缺陷的取向及分布与材料的断裂韧性有关。
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8
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)

无机材料科学基础晶体结构缺陷PPT课件

无机材料科学基础晶体结构缺陷PPT课件
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表2-7为由理论公式计算的缺陷浓度。由表中数据可见，随⊿Gf升高，温度降 低，缺陷浓度急剧下降。
当⊿Gf不太大，温度较高时，晶体中热缺陷的浓度可达百分之几。
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§4-2 非热力学平衡态点缺陷
热平衡态点缺陷：纯净和严格化学配比的晶体中，由于体系能量涨落而形
成的，浓度大小取决于温度和缺陷形成能。
注意：这种空位表示的是原子空位。对于象NaCl这样的离子晶体，仍然当作原子晶体处 理。Na+被取走时，一个电子同时被带走，留下一个Na原子空位；Cl-被取走时，仍然以Cl 原子的形态出去，并不把所获得的电子带走。这样的空位是不带电的。 2．填隙原子：Mi和Xi分别表示M和X原子处在间隙位置上。 3．错放位置：MX表示M原子被错放到X位置上。
P2 4
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4．溶质原子：LM和SX分别表示L溶质处在M位置，S溶质处在 X位置。例如，CaCl2在KCl中的固溶体，CaK表示Ca处在K的 位置；若Ca处在间隙位置则表示为Cai。
5．自由电子及空穴：用e′和h· 分别表示自由电子和电子空穴。 “′”和“·”表示一个单位负电荷和一个单位正电荷。
※ 热缺陷的浓度随温度的上升而呈指数上升。一定温 度下，都有一定浓度的热缺陷。
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三.平衡态热缺陷浓度
热缺陷是由于热起伏引起的，在一定温度下，当热缺陷的产生与复合过程达到热 力学平衡时，它们具有相同的速率。在热平衡条件下，热缺陷的数目和晶体所处 的温度有关。即：热缺陷浓度是温度的函数。 所以在一定温度下，热缺陷的数目可通过热力学中自由能的最小原理来进行计算。 推导过程如下：
陷——本征点缺陷。

晶体结构缺陷-类型-面缺陷-固溶体-5

晶体结构缺陷-类型-面缺陷-固溶体-5

（2） MgO溶解到Al2O3晶格中
2 MgO 2 Mg VO 2OO Al Al2O3
(1－4)
Mgi 3OO 3 MgO 2 Mg Al
Al2O3
(1－5)
（1－5〕较不合理。因为Mg2+进入间隙位置不易发生。
材料科学基础（Fundamentals of Materials Science）
(2) 间隙原子 间隙（interstitial）原子用Mi、Xi表示M或X原子 处于间隙位置。
材料科学基础（Fundamentals of Materials Science） 西南科技大学
(3) 错位原子 错位原子用MX、XM等表示，MX表示M原子占 据X的位置。 (4) 自由电子和电子空穴 在典型离子晶体中，电子（electron）或电子 空穴（hole）是属于特定的离子，可以用离子价来 表示。但在有些情况下，有的电子或空穴可能并不 属于某一特定的离子，在外界的光、电、热作用下， 可以在晶体中运动，这样的电子与孔空称为自由电 子和电子孔空，分别用e’和h表示。其中右上标分 别表示一个单位的负电荷和一个单位正电荷。
材料科学基础（Fundamentals of Materials Science）
西南科技大学
3.2 点缺陷
3.2.1 点缺陷的符号表征－Kroger-Vink符号
(1)空位 空位（Vacancy）用V来表示，则VM、VX分别表示M 原子和X原子空位。符号中的右下标表示缺陷所在位置， VM、VX分别表示M或X位置是空的。
材料科学基础（Fundamentals of Materials Science） 西南科技大学
(4) 电荷缺陷
质点排列的周期性未受到破坏，但因电子或

材料科学基础--第2章晶体缺陷PPT课件

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。
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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 。

晶体结构缺陷PPT课件

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3）、非化学计量缺陷
定义:指组成上偏 离化学中的定比定律所 形成的缺陷。它是由基 质晶体本身存在变价元 素产生的一种电子缺陷， 如Fe1－xO、Zn1+xO等 晶体中的缺陷。
特点:其化学组成 随周围气氛的性质及其 分压大小而变化。
4）、 其它原因，如辐 照缺陷等
TiO2
3+
• 5)、缺陷的作用 • 点缺陷使晶体结构局部畸变，缺陷产生
（1－5〕较不合理。因为Mg2+进入间隙位置，在刚 玉型离子晶体中不易发生。
4、热缺陷浓度计算
1)、计算单质晶体的公式 • 若是单质晶体形成热缺陷浓度计算为： • ｎ／Ｎ：表示热缺陷在总结点中所占分数，
即热缺陷浓度； • E：缺陷形成能； • k：波兹曼常数
n exp(－E )
N
KT
• 2）、二元离子晶体
体缺陷--祖母绿中的两 相“逗号状”包裹体
白榴石中的包裹体
面缺陷（小角晶界）
图２－５ 面缺陷－共格晶面 面心立方晶体中{111}面反映孪晶
线缺陷 (a) 刃位错 (b)螺位错
(a)
(b)
(a)空位
(b)杂质质点
(c)间隙质点
晶体中的点缺陷
• 一、点缺陷(point defect)
• （一）、点缺陷的类型
2）Kroger-Vink(克罗格—明克)的点缺陷符号
用一个主要符号表明缺陷的种类 用一个下标表示缺陷位置 用一个上标表示缺陷的有效电荷
缺陷的主要符号， 表明缺陷的种类
上标符号，表明缺陷所带
上标
的缺陷电荷
主要 符号
下标
下标符号，表明缺陷 的缺陷位置
如“ . ”表示有效正电荷; “ ' ” 表示有效负电荷;

[课件]材料科学基础 第三章晶体缺陷PPT


2018/12/13
《材料科学基础》CAI课件-李克
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b. 螺型位错 screw dislocation
位错线bb’：已滑移区和未滑移区的边界线
特征：
1）无额外半原子面， 原子错排是轴对称的 2）分左螺旋位错，符合左手法则；右螺旋位错 ，符合右手法则 3）位错线与滑移矢量平行，且为直线，位错线的运动方向与滑移矢量垂直 4）凡是以螺型位错线为晶带轴的晶带 所有晶面都可以为滑移面。 5) 点阵畸变引起平行于位错线的切应变，无正应变。 6）螺型位错是包含几个原子宽度的线缺陷。
2018/12/13 《材料科学基础》CAI课件-李克 9
3.2.1 位错的基本类型和特征
根据几何结构特征： a. 刃型位错 edge dislocation
b. 螺型位错 screw dislocation
2018/12/13
《材料科学基础》CAI课件-李克
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a. 刃型位错 edge dislocation
材料科学基础 第三章_晶体缺 陷
第三章 晶体缺陷
Imperfections (defects) in Crystals
It is the defects that makes materials so interesting, just like the human being.
Defects are at the heart of materials science.
1、点缺陷的形成 （production of point defects)
原因：热运动：热振动强度是温度的函数 能量起伏=〉原子脱离原来的平衡位置而迁移别处 Schottky 空位，-〉晶体表面 =〉空位(vacancy)

晶体结构缺陷课件


精选课件
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图3-1 点缺陷的种类
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8
2、根据缺陷产生原因划分 1）热缺陷：当晶体的温度高于绝对0K时，由于晶格内
原子热振动，使一部分能量较大的原子离开平衡位置而 造成缺陷，这种缺陷称为热缺陷。热缺陷有两种基本形 式：弗仑克尔缺陷（Frenkel defect）和肖特基缺陷 (Schottky defect)。
离子晶体中基本点缺陷类型
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16
4）溶质原子：LM表示L溶质处在M位置，SX表示S溶质处 在X位置。 例：Ca取代了MgO晶格中的Mg写作CaMg， Ca若填隙在MgO晶格中写作Cai。
5）自由电子及电子空穴：自由电子用符号e′表示。电子空 穴用符号h·表示。它们都不属于某一个特定的原子所有， 也不固定在某个特定的原子位置。
(b)晶体的体积不发生改变。 (b)伴随有晶体体积的增加；
(c)肖特基缺陷的生成需要一个晶格上
混乱的区域，如晶界、位错、表面位置等。
精选课件
12
2）杂质缺陷：外来原子进入晶体而产生的缺陷。包括间隙杂质原 子和取代杂质原子。
3）非化学计量结构缺陷：有一些化合物，它们的化学组成会明显 随着周围气氛的性质和压力大小的变化而发生组成偏离化学计量 的现象，称之为非化学计量缺陷，它是生成n型或p型半导体的基 础。例如：TiO2在还原气氛下变为TiO2-x（x=0~1），这是一种n型 半导体。
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3）质量平衡：缺陷方程的两边必须保持质量平衡。缺陷 符号的下标仅表示缺陷位置，对质量平衡不起作用。如 VM为M位置上的空位，它不存在质量。
4）电荷守恒：在缺陷反应前后晶体必须保持电中性，即 缺陷反应式两边必须具有相同数目的总有效电荷。

晶体结构缺陷材料科学基础课件

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（一）、刃位错
形成及定义（图3-11） ：
晶体在大于屈服值的切应力作用下，以ABCD面
为滑移面发生滑移。EF是晶体已滑移部分和未滑移 部分的交线，犹如砍入晶体的一把刀的刀刃，即刃 位错（或棱位错）。
几何特征：位错线与原子滑移方向相垂直；滑移面上 部位错线周围原子受压应力作用，原子间距小于正 常晶格间距；滑移面下部位错线周围原子受张应力 作用，原子间距大于正常晶格间距。
（5）自由电子及电子空穴：
有些情况下，价电子并不一定属于某个特定位置的原子，在 光、电、热的作用下可以在晶体中运动，原固定位置称次自 由电子（符号e/ ）。同样可以出现缺少电子，而出现电子空 穴（符号h. ),它也不属于某个特定的原子位置。
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（6）带电缺陷
不同价离子之间取代如Ca2+取代Na+——Ca
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2 书写点缺陷反应式的规则 （1）位置关系： 对于计量化合物（如NaCl、Al2O3），在缺陷反应式中
作为溶剂的晶体所提供的位置比例应保持不变，但每类位置 总数可以改变。
例：
CaCl2 (s) KClCaK• VK 2ClCl
K : Cl = 2 : 2
对于非化学计量化合物，当存在气氛不同时，原子之间的比 例是改变的。
第9页/共93页
把离子化合物看作完全由离子构成（这里不考虑化学
键性质），则在 NaCl晶体中，如果取走一个Na+ 晶格中 多了一个e, 因此VNa 必然和这个e/相联系，形成带电的空 位——
VNa
写作 VNa e VNa
同样，如果取出一个Cl－ ,即相当于取走一个Cl原子加 一个e，那么氯空位上就留下一个电子空穴(h. )即
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对高分子聚合物的影响：可改变高分子聚合物的结构，链会断 裂，聚合度降低，导致高分子聚合物强度降低。
五、辐照缺陷：材料在辐照下所产生的结构不完整性，如：色 心、位错环等；
对金属的影响：高能辐照可把原子从正常格点位置撞击出来， 产生间隙原子和空位； 降低金属的导电性并使材料由韧变硬变脆，退火可排除损失。
对非金属晶体的影响：在非金属晶体中，由于电子激发态可以 局域化且能保持很长的时间，所以电离辐照会使晶体严重损伤， 产生大量的点缺陷。 不改变力学性质，但导热性和光学性质可能变坏。
如：空位、间隙质点、杂质质点。除此以外，还有空位，间 隙质点以及这几类缺陷的复合体等均属于这一类。
点缺陷与材料的电学性质、光学性质、材料的高温动力学过 程有关。
二、线缺陷: 其特征是缺陷在两个方向上尺寸很小（与点 缺陷相似），而第三方向上的尺寸却很大，甚者可以贯穿 整个晶体，也称之为一维缺陷
属于这一类的主要是位错。
三、非化学计量缺陷：指组成上偏离化学中的定比定律所形 成的缺陷。 由基质晶体与介质中的某些组分发生交换而产生。 特征：其化学组成随周围气氛的性质及其分压大小而改变。 如：Fe1-xO、Zn1+xO，半导体材料
四、电荷缺陷：指质点排列的周期性未受到破坏，但因电子 或孔穴的产生使周期性势场发生畸变而产生缺陷。 包括：导带电子和价带空穴
（b）单质中肖特基缺陷的 形成 离子晶体特点：正负离子空 位成对出现
二、杂质缺陷：组成缺陷，由外来杂质的引入而产生的缺陷 特征：当杂质的浓度在固溶体的溶解度范围之内时，杂志缺 陷的浓度与温度无关。 如：红宝石激光器，含Cr的Al2O3 微量杂质缺陷的存在，将极大地改善基质晶体的物理性质。
取代式
间隙式
本章目录：
3.1 晶体结构缺陷的类型 3.2 点缺陷 3.3 线缺陷 3.4 面缺陷 3.5 固溶体 3.6 非化学计量化合物
3.1 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、杂按缺陷的几何形态分类
一、点缺陷：其特征是三个方向的尺寸都很小，尺寸范围约 为一个或几个原子尺度，为零维缺陷。
第三章 晶体结构缺陷
缺陷的含义：通常把晶体点阵结构中周期性势场的畸变称为 晶体的结构缺陷。 理想晶体：质点严格按照空间点阵排列。 实际晶体：存在着各种各样的结构的不完整性。
研究缺陷的意义：由于缺陷的存在，才使晶体表现出各种 各样的性质，使材料加工、使用过程中的各种性能得以有 效控制和改变，使材料性能的改善和复合材料的制备得以 实现。因此，了解缺陷的形成及其运动规律，对材料工艺 过缺程陷的对控材制料，性对能材的料影性响能举的例改: 善，对于新型材料的设计、 研材究料与的开强发化具，有如重钢要—意—义是。铁中掺碳 陶瓷材料的增韧 半导体掺杂
弗伦克尔缺陷(Frenkel Defect)：质点离开正常格点后挤入 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。
肖特基缺陷(Schottky Defect)：质点离开正常格点后迁移 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。
热缺陷产生示意图
（a）单质中弗仑克尔缺陷 的形成 特点：空位与间隙质点成 对出现
线缺陷的产生及运动与材料的 屈服强度密切相关。
三、面缺陷: 其特征是缺陷在一个方向上的尺寸很小（同点 缺陷），而其余两个方向上的尺寸很大，也称二维缺陷。
晶体的外表面及各种内界面如：一般晶界、孪晶界、亚晶 界、相界及层错等均属于这一类。
面缺陷的取向及分布与材料的断裂韧性有关。
晶界: 两相邻晶粒间 的过渡界面
亚晶界: 同一个晶粒内 部，亚结构与亚结构之 间的界面称为亚晶界。
四、体缺陷: 在局部的三维空间偏离理想晶体的周期性、规 则性排列而产生的缺陷。如：第二相粒子团、空位团等。体 缺陷与物系的分相、偏聚等过程有关。
3.1.2 按缺陷产生的原因分类
一、热缺陷：亦称为本征缺陷，指由热起伏的原因所产生的 空位和（或）间隙质点。