科研训练报告
题 目： 实际晶体中的缺陷分类及其特征
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学 院： 理学院
班 级： 电科10-1
指导教师： 哈斯花
2013年 9 月 9 日 学校代码： 10128
学 号： ************ 一、国内外研究进展及研究意义
1.1 国内外研究现状和发展动态
20世纪初，X射线衍射方法的应用为金属研究开辟了新天地，使我们的认识深入到原子的水平；到30年代中期，泰勒与伯格斯等奠定了晶体位错理论的基础；50年代以后，电子显微镜的使用将显微组织和晶体结构之间的空白区域填补了起来，成为研究晶体缺陷和探明金属实际结构的主要手段，位错得到有力的实验观测证实；随即开展了大量的研究工作，澄清了金属塑性形变的微观机制和强化效应的物理本质。
1.2 研究意义
在晶体的生长及形成过程中，由于温度、压力、介质组分浓度等外界环境中各种复杂因素变化及质点热运动或受应力作用等其他条件的不同程度的影响会使粒子的排列并不完整和规则，可能存在空位、间隙粒子、位错、镶嵌结构等而偏离完整周期性点阵结构，形成偏离理想晶体结构的区域，我们称这样的区域为晶体缺陷，它们可以在晶格内迁移，以至消失，同时也可产生新的晶体缺陷。本文就晶体中所存在的各类缺陷做了详细说明，并且重点介绍了各类缺陷的成因及其特征。
1.3 主要参考文献
[1] 黄昆 原著,韩汝琦 固体物理学[M] 出版社:高等教育出版社
ISBN:9787040010251
[2] 百度文库 晶体缺陷 /view/5728eb134431b90d6c85c730.html
二、研究内容及方案
2.1 研究内容
按照晶体缺陷的几何形态以及相对于晶体的尺寸，或其影响范围的大小，可将其分为以下几类：
1.点缺陷(point defects) 其特征是三个方向的尺寸都很小，不超过几个原子间距。如：空位(vacancy)、间隙原子(interstitial atom)和置换原子(substitutional atom)。除此以外，还有空位，间隙原子以及这几类缺陷的复合体等均属于这一类。这里所说的间隙原子是指应占据正常阵点的原子跑到点阵间隙中。
1 3.6 晶体缺陷
理想完美的晶体结构在实际晶体中并不存在，格点上的原子在一定的温度下总在其平衡位置附近振动，除此之外，实际晶体相对于理想的晶体周期结构的平衡位置还存在着偏离，如原子占位的错乱，这种偏离被称作晶体缺陷。晶体缺陷对晶体材料的物理、化学以及机械性能具有非常重要的影响。
晶体缺陷可以根据其特征进行分类，最常见的分类方法是把缺陷分成
(a) 点缺陷，包括空位、间隙原子、置换原子以及杂质原子和色心等;
(b) 线缺陷，主要指各类位措;
(c) 面缺陷，包括各种晶面、晶界、相界和畴界等;
(d) 体缺陷，包括包裹物、夹杂及异相等。
以下就各类缺陷的结构特点进行详细叙述。
3.6.1 点缺陷
点缺陷只涉及晶格中个别格点的缺陷，是固体中最简单的结构不完整性，在晶体中可以呈热力学平衡状态存在。1926年弗兰克尔（Frankel）为了解释离子晶体的导电现象而首先提出，其后也在阐明扩散机制等方面起了重要作用。本节将着重介绍点缺陷的种类、形成及研究方法等。
3.6.1.1 空位
从晶体的周期结构点阵中的原子位置取走原子，则在周期点阵中就形成了一个空位缺陷，有时简称空位。如取走的原子移动到晶体表面所形成的空位叫肖脱基（Schottky）缺陷；当移动的原子进入晶格的间隙位置时，所留下的空位叫弗兰克尔（Frankel）缺陷，如图3.6-1所示。在离子型晶体中，为保持化学计量组成和电中性，常出现空位对（见图3.6-1）。晶体中的空位可能结合起来，形成空位对、三空位以及空位群。
图3.6-1 晶体中的空位，肖脱基缺陷、弗兰克尔缺陷以及空位对
晶体中出现空位后，将对晶体结构产生影响，如破坏晶体的周期点阵排列，使晶体体积增大 2 和引起晶体的点阵畸变等。
虽然晶体中出现空位以后，会使晶体的内能U增加，但同时位形熵S也增大，由系统自由能
STUF' (3.6-1)
1 晶体缺陷总结
1.晶体缺陷的定义和分类
1.1 晶体缺陷的定义
原子绝对按照晶格的周期性排列的晶体是不存在的，实际晶体中或多或少都存在缺陷。
1.2 晶体缺陷的分类
1.2.1、按缺陷的几何形态分类可分为四类：点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷。
1.点缺陷（零维缺陷）：晶格中的填隙原子、空位、俘获电子的空穴、杂质原子等，称为点缺陷。这些缺陷约占一个原子的尺寸，引起晶格周期性在一到几个原胞内发生紊乱。
包括：（1）福伦克尔缺陷 ：正常格点上的原子，无时无刻不在作围绕平衡点的振动。由于存在热运动的涨落，涨幅大的原子就会摆脱平衡位置而进入原子间隙位置。这种有一个正常原子同时产生一个间隙原子和一个空位的缺陷称为福伦克尔缺陷。
弗伦克尔缺陷的特点是空位和填隙原子同时出现，晶体体积不发生变化，晶体不会因为出现空位而产生密度变化。
空位＋填隙原子：
（2）肖特基缺陷： 某格点上的原子，由于热运动的涨落，某时刻他的涨幅会变得很大，会将最近邻的原子挤跑，而自己占据这一最近邻的格点，而被他挤跑的一个原子依次如此。晶体内这种不伴随填隙原子产生的空位，成为肖特基缺陷。
肖特基缺陷的特点是晶体表面增加了新的原子层，晶体内部只有空位缺陷，且晶体体积膨胀，密度下降。（空位+表面原子）
（3）替位式杂质原子： 在晶体的生长、半导体材料及电子陶瓷材料制备中，常常有目的的加入一些杂质原子，让其形成替位式杂质。
（4） 色心： 能吸收光的点缺陷称为色心。（莫罗定律）
点缺陷对材料性能的一般影响：
（1）原因：无论哪种点缺陷的存在，都会使其附近的原子稍微偏离原结点位置才能平衡，即造成小区域的晶格畸变。
（2）效果：改变材料的电阻。（电阻来源于离子对传导电子的散射。在完整晶体中，电子基本上是在均匀电场中运动，而在有缺陷的晶体中，在缺陷区点阵的周期性被破坏，电场急剧变化，因而对电子产生强烈散射，导致晶体的电阻率增大。）；加快原子的扩散迁移。形成其他晶体缺陷；由于形成点缺陷需向晶体提供附加的能量，因而引起附加比热容；点缺陷还影响其它物理性质：如扩
晶体中缺陷和运动
晶体缺陷（crystal defect）
1定义：
实际晶体中原子规则排列遭到破坏而偏离理想结构的区域。在理想完整晶体中，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。
2类型
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,分为以下4种主要类型。
点缺陷——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
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。
（
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，因此又称为热陷。
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。
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
