第四章晶体中的点缺陷与线缺陷第一讲

第四章 晶体的缺陷

习题测试

1.设晶体只有弗仑克尔缺陷, 填隙原子的振动频率、空位附近原子的振动频率与无缺陷时原子的振动频率有什么差异？

2.热膨胀引起的晶体尺寸的相对变化量与X射线衍射测定的晶格常数相对变化量存在差异， 是何原因？

3.KCl晶体生长时，在KCl溶液中加入适量的CaCl2溶液，生长的KCl晶体的质量密度比理论值小，是何原因？

4.为什么形成一个肖特基缺陷所需能量比形成一个弗仑克尔缺陷所需能量低? 5.金属淬火后为什么变硬?

6.在位错滑移时, 刃位错上原子受的力和螺位错上原子受的力各有什么特点?

7.试指出立方密积和六角密积晶体滑移面的面指数.

8.离子晶体中正负离子空位数目、填隙原子数目都相等, 在外电场作用下, 它们对导电的贡献完全相同吗?

9.晶体结构对缺陷扩散有何影响?

10.填隙原子机构的自扩散系数与空位机构自扩散系数, 哪一个大? 为什么？

11.一个填隙原子平均花费多长时间才被复合掉? 该时间与一个正常格点上的原子变成间隙原子所需等待的时间相比, 哪个长? 12.一个空位花费多长时间才被复合掉？

13.自扩散系数的大小与哪些因素有关?

14.替位式杂质原子扩散系数比晶体缺陷自扩散系数大的原因是什么?

15.填隙杂质原子扩散系数比晶体缺陷自扩散系数大的原因是什么?

16.你认为自扩散系数的理论值比实验值小很多的主要原因是什么？ 17.离子晶体的导电机构有几种?

第四章 晶体的缺陷

习题解答

1.设晶体只有弗仑克尔缺陷, 填隙原子的振动频率、空位附近原子的振动频率与无缺陷时原子的振动频率有什么差异？

[解答]

正常格点的原子脱离晶格位置变成填隙原子, 同时原格点成为空位, 这种产生一个填隙原子将伴随产生一个空位的缺陷称为弗仑克尔缺陷. 填隙原子与相邻原子的距离要比正常格点原子间的距离小，填隙原子与相邻原子的力系数要比正常格点原子间的力系数大. 因为原子的振动频率与原子间力系数的开根近似成正比, 所以填隙原子的振动频率比正常格点原子的振动频率要高. 空位附近原子与空位另一边原子的距离, 比正常格点原子间的距离大得多, 它们之间的力系数比正常格点原子间的力系数小得多, 所以空位附近原子的振动频率比正常格点原子的振动频率要低.

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。

第四部分 晶体结构缺陷

讨论晶体结构是，把整个晶体中所有原子都看成按理想的晶格电阵排列。实际上，在真实晶体中，在高于0K的任何温度下，都多少存在着对理想晶体结构的偏离。

实际晶体都是非理想的，存在各种晶体结构缺陷。 晶体缺陷就是指实际晶体中与理想的点阵结构发生偏差的区域，这些缺陷的存在并不影响晶体结构的

基本特征，只是晶体中少数原子的排列发生改变。

缺陷的存在及其运动规律、缺陷的数量及其分布对材料的行为起着十分重要的作用。掌握缺陷的知识是掌握材料科学的基础。

4.1 点缺陷 晶体结构缺陷有好几种类型,按其几何形状划分（偏离区域在三维空间的几何特征）,可分为三大类型：

点缺陷：缺陷在4个空间方向上的尺度均很小，尺寸在1-4个原子大小级别。 线缺陷：缺陷在4个空间方向上的尺度很小，另一方向的尺度很大。一维缺陷，通常指位错。

面缺陷：缺陷在1个空间方向上的尺度很小，另4个方向的尺度很大。二维缺陷，通常指晶界和表面。

三种缺陷中，点缺陷是最基本也是最重要的。 4.1.1 点缺陷的类型

（1）根据对理想晶格偏离的几何位置及成分可划分为4种类型 ① 空位：正常结点没有被原子或离子所占据，成为空结点。（空穴）

晶体中某结点的原子跳离，迁移到界面或跳到另一个位置。 最重要的点缺陷。

晶体结构中， 少了原子，周围原子收缩，产生畸变。

多了原子，周围原子扩张，产生畸变。

这个畸变区域就是缺陷，宏观上看该区域，抽象为几何点。 ② 间隙原子（离子）：原子或离子进入晶格正常结点之间的间隙位置，成为填隙原子或添

隙离子。 ③ 杂质原子：外来原子进入晶格成为晶体中的杂质。

置换杂质原子：杂质原子取代原晶格中的原子而进入正常结点位置。 间隙杂质原子：杂质原子进入本来没有原子的间隙位置。

杂质进入晶体可以看作一个溶解过程：

杂质为溶质，原晶体为溶剂。这种溶解了杂质原子的晶体称为固溶体。 （4）根据产生缺陷的原因也可划分为4种类型

电子科技大学 微电子与固体电子学院 博士研究生试用教材（2007）固体微观理论

第1章固体中的原子过程 §1.4晶体中的缺陷

19 §1.4晶体中的缺陷

由于热扰动和材料形成过程中受到外来因素的影响，材料中原子排列会出现偏离周期性和对称结构的情况，即晶体中存在各种形式的缺陷(defects)，它们对材料的性质往往起着决定性的作用。

1.4.1 缺陷的定义和种类

晶体缺陷是指实际晶体与理想的点阵结构发生偏离的地区。由于点阵结构具有周期性和对称性，所以凡是引起晶体中周期性畸变的因素称谓缺陷。使晶体中电子周期性势场畸变的称电缺陷；使原子排列周期性畸变的称几何缺陷。

1.电子缺陷

电子缺陷(electronic imperfect)又称电缺陷，会引起晶体中电子周期性势场的畸变。在晶体中运动的电子和空穴（电洞）、一些变价离子、带电的杂质离子、空位、极化子、陷阱、F心、U心„等，均为电缺陷。

2.原子缺陷

原子缺陷也称结构缺陷，它使原子周期性排列发生畸变。空位、杂质原子、位错、晶界、以及晶格振动(声子)等都是原子缺陷。

3.电子缺陷和原子缺陷的关系

在晶体中，有一些缺陷，它们既是电子缺陷，又可能一种是原子缺陷。如离子晶体中的F心，它是负离子空位(带正电，可束缚一个电子)；空位是原子（结构）缺陷，但它又带电，所以也是电子缺陷。

1.4.2 原子缺陷的种类

本节主要研究原子缺陷，原子缺陷通常按照其几何形状进行分类

1.点缺陷

当周期性势场的畸变范围的几何尺寸可以同点阵原子大小比拟，即是在一个原子尺度范围内的缺陷称点缺陷。杂质、空位、填隙（间隙）原子，空位对的聚集体等均为点缺陷。点缺陷又称零维缺陷。

2.线缺陷

周期性畸变范围作一维分布的缺陷称线缺陷。螺位错和棱位错是典型的线缺陷，此又称一维缺陷。

3.面缺陷

晶粒间界、孪晶界、相界、层错和晶体表面等，它们引起的势场畸变是面状的，故又称二维缺陷。

4.体缺陷

晶体外来的杂质折出相夹杂物、团聚物质、陶瓷烧结产生的他相、玻璃相、气孔空洞等。