第五章 固体中的点缺陷

MgCl2
(
S
)
LiCl
Mg•. Li
VLi
2ClCl
(2) SrO固溶在Li2O晶体中(产生正离子空位，生成置换型SS)
Sr O(S) Li2O Sr•. V O
Li
Li
O
(3) Al2O3固溶在MgO晶体中(产生正离子空位，生成置换型SS)
Al
O2 3
(
S
)
MgO
2
Al
•. Mg
VMg
3OO
(4) YF3固溶在CaF2晶体中(产生正离子空位，生成置换型SS)
2Y F (S) CaF2 2Y •. V 6F
3
Ca
Ca
F
(5) CaO固溶在ZrO2晶体中(产生负离子空位，生成置换型SS)
Ca
O
(S) ZrO2 CaZr
V •• O
OO
25
三、 热缺陷浓度计算 若是单质晶体形成热缺陷浓度计算为：
特点：溶解度极限比单独掺Co2+或W6+大，是掺杂改性的 主要方法。产生的点缺陷是一般溶质或带电溶质。
③形成正离子空位的置换
Al2O3
MgAlO4
2
Al
• Mg
VMg
3OO
特点：点缺陷为带电溶质和正离子空位。
高价置换低价，形成正离子空位。
32
④形成负离子空位的置换
CaO ZrO2CaZr
V •• O
9
晶体中的Schottky缺陷(空位） 晶体中的Frenkel缺陷(位错）
10
2 . 杂质缺陷
概念——杂质原子进入晶体而产生的缺陷。原子进入 晶体的数量一般小于0.1%。

维纳斯“无臂”之美更深入人心
晶体缺陷赋予材料丰富内容
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。 缺陷对材料性能的影响
5.1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、非化学计量缺
所示。
线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆 性密切相关。
(a)
(b)
图3-2
(a) 刃位错
(b)螺位错
3.面缺陷
面缺陷又称为二维缺陷，是指在二维方 向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排 列而产生的缺陷，即缺陷尺寸在二维方向 上延伸，在第三维方向上很小。如晶界、 表面、堆积层错、镶嵌结构等。
面缺陷的取向及分布与材料的断裂韧性 有关。
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。
(a)空位
(b)杂质质点
(c)间隙质点
图3-1 晶体中的点缺陷
2.线缺陷（一维缺陷）
指在一维方向上偏离理想晶体中的周
期性、规则性排列所产生的缺陷，即缺陷
尺寸在一维方向较长，另外二维方向上很
短。如各种位错（dislocation），如图3-2
注意：只有刃型位错才能发生攀移；滑移不涉及原子扩散， 而攀移必须借助原子扩散；外加应力对攀移起促进作用， 压（拉）促进正（负）攀移；高温影响位错的攀移
5.4 表面与界面

面缺陷的特征： 面缺陷类型： 表面(surface) 内界面(interface)：晶界、亚晶界、孪晶界、 相界、层错
5.4.1 外 表 面
1. 位错的滑移
位错的滑移(slipping of disloction): 任何类型的位错均可进行滑移：位错沿着 滑移面的移动

F心=负离子空位+电子
F心的组态与氢原子相似，可以用类氢模型处理，F吸收带可看成是电子 从氢基态1s到第一激发态2p跃迁产生，本来是一条吸收线，但是由于晶 格振动影响使谱线加宽成吸收带。
V心：
将碱卤晶体放在卤素的蒸气中加热，然后骤冷到室温， 造成卤素过剩，在晶体中出现正离子空位，形成负电中心， 将束缚一个电子空穴，称为V心。 V心=正离子空位+电子空 穴 在晶体紫外区域出现新的吸收 带，称为V带。
§5－3 缺陷的扩散
一、 扩散方程
设扩散原子的浓度为C(r,t)，稳定时，由于扩散而产生的单位 时间内、通过单位面积的扩散原子的量，即扩散流密度j为：
j DC r , t
其中D为扩散系数。单位为m2/s。负号表示扩散原子从浓度 高的区域向浓度低的区域扩散，即逆浓度梯度的方向扩散。 D一般是浓度C(r) 的函数，因此扩散的连续性方程为：
E1 P v exp 1 01 k T B

式中v01是空位邻近原子的振动频率，空位每跳一步所必需的时间为：
E1 1 01 exp k T B

对填隙原子的运动可以作类似的讨论，因此：
E2 P2 v02 exp k T B
3 晶体内部只有填隙原子
晶体表面上的原子跑到晶体内部的间隙位置，这样 晶体内部只有填隙原子，填隙原子与晶体表面上原 子处于平衡

二 替位式杂质原子(离子) 替位杂质：落在晶体的正常格点位置的杂质原子。
○
形成原因： 1、化学不纯 2、掺杂（有目的）
半导体制备过程中，在高纯Si、Ge单晶内掺杂微量三价B、Al、 Ga、In或五价P、As、Sn等，占据正常格点的原子位置

本组成员：李丹、孟加龙、党康康、王越、吴叶榕、隋佳伟 分工如下：李丹 习题孟加龙、党康康 固体结合的主要内容 王越、吴叶榕 晶体缺陷的主要内容隋佳伟 固体结合、晶体缺陷的知识框架第五章 晶体的缺陷一、知识框架定义 肖特基缺陷 点缺陷 起因 弗仑克尔缺陷 分类 杂志原子 色心 基本类型线缺陷 定义分类 刃位错 特点 性质螺位错 与晶体生长 受力情况 生长情况 触媒 晶面位错 定义 体分类 层错 小角晶界热缺陷统计理论 热缺陷产生几率 热缺陷运动、产生、复合 缺 空隙、填隙复合率 填隙产生率热缺陷数目：空位数、填隙数、Frenkel 缺陷数 陷缺陷扩散 扩散方程微观机制离子晶体中点缺陷和离子独立性二、基本内容5.1 晶体缺陷的类型区分并理解晶体中的各种缺陷; 具体为：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： 一.点缺陷1.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()C jD C t ∂=-∇⋅=∇⋅∇∂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：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。

晶体内部的空格点就是空位。

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：杂质原子是理想晶体中出现的异类原子。

3.点缺陷类型①弗仑克尔缺陷：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。

弗仑克尔缺陷的产生机理：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。