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第一节晶体缺陷的基本类型


第 一 节 晶体缺陷的基本类型
本节主要内容: 本节主要内容: 7.1.1 点缺陷 7.1.2 线缺陷 7.1.3 面缺陷

晶体缺陷(晶格的不完整性):晶体中任何对完整周期性 晶体缺陷(晶格的不完整性):晶体中任何对完整周期性 ): 结构的偏离就是晶体的缺陷。 结构的偏离就是晶体的缺陷。 结构缺陷: 没有杂质的具有理想的化学配比 结构缺陷: 的晶体中的缺陷,如空位, 的晶体中的缺陷,如空位,填隙 晶体的缺陷 原子,位错。 原子,位错。 化学缺陷: 由于掺入杂质或同位素, 化学缺陷: 由于掺入杂质或同位素,或者化学 配比偏离理想情况的化合物晶体中 的缺陷,如杂质,色心等。 的缺陷,如杂质,色心等。

§7.1 晶体缺陷的基本类型
缺陷分类(按缺陷的几何形状和涉及的范围): 缺陷分类(按缺陷的几何形状和涉及的范围): 点缺陷、线缺陷、 点缺陷、线缺陷、面缺陷

7.1.1 点缺陷
点缺陷: 点缺陷:它是在格点附近一个或几个晶格常量范围内的一 种晶格缺陷,如空位、填隙原子、杂质等。 种晶格缺陷,如空位、填隙原子、杂质等。 由于空位和填隙原子与温度有直接的关系, 由于空位和填隙原子与温度有直接的关系,或者说与原子 的热振动有关,因此称他们为热缺陷。 的热振动有关,因此称他们为热缺陷。 弗仑克尔缺陷 常见的热缺陷 肖特基缺陷

1.弗仑克尔缺陷和肖特基缺陷

弗仑克尔缺陷 当晶格中的原子脱离格点后, 当晶格中的原子脱离格点后,移到间隙位置形成填隙原 子时,在原来的格点位置处产生一个空位, 子时,在原来的格点位置处产生一个空位,填隙原子和空位成 对出现,这种缺陷称为弗仑克尔缺陷。 对出现,这种缺陷称为弗仑克尔缺陷。 弗仑克尔缺陷

肖特基缺陷

当晶体中的原子脱离格点位置后不在晶体内部形成填隙原 子,而是占据晶体表面的一个正常位置,并在原来的格点位置 而是占据晶体表面的一个正常位置, 产生一个空位,这种缺陷称为肖特基缺陷。 产生一个空位,这种缺陷称为肖特基缺陷。 肖特基缺陷

构成填隙原子的缺陷时, 构成填隙原子的缺陷时,必须使原子挤入晶格的间隙位 置,所需的能量要比造成空位的能量大些,所以对于大多数的 所需的能量要比造成空位的能量大些, 情形,特别是在温度不太高时,肖特基缺陷存在的可能性大于 情形,特别是在温度不太高时, 弗仑克尔缺陷。 弗仑克尔缺陷。 2.杂质原子 在材料制备中,有控制地在晶体中引入杂质原子,若杂质 在材料制备中,有控制地在晶体中引入杂质原子, 原子取代基质原子而占据格点位置,则成为替代式杂质。 原子取代基质原子而占据格点位置,则成为替代式杂质。 替代式杂质 当外来的杂质原子比晶体本身的原子小时, 当外来的杂质原子比晶体本身的原子小时,这些比较小的 外来原子很可能存在于间隙位置,称它们为填隙式杂质。 外来原子很可能存在于间隙位置,称它们为填隙式杂质。填隙 填隙式杂质

式杂质的引入往往使晶体的晶格常量增大。

3.色心 能吸收可见光的晶体缺陷称为色心。 色心 能吸收可见光的晶体缺陷称为色心。 完善的晶体是无色透明的, 完善的晶体是无色透明的,众多的色心缺陷能使晶体呈 现一定颜色,典型的色心是F 现一定颜色,典型的色心是F心。 把碱卤晶体在碱金属的蒸气中加热,然后使之聚冷到室温 把碱卤晶体在碱金属的蒸气中加热,然后使之聚冷到室温, 则原来透明的晶体就出现了颜色,这个过程称为增色过程, 则原来透明的晶体就出现了颜色,这个过程称为增色过程,这 些晶体在可见光区各有一个吸收带称为F带 些晶体在可见光区各有一个吸收带称为 带,而把产生这个带 的吸收中心叫做F心。 的吸收中心叫做 心 4.极化子 电子吸引邻近的正离子,使之内移。排斥邻近的负离子, 电子吸引邻近的正离子,使之内移。排斥邻近的负离子, 使之外移,从而产生极化。 使之外移,从而产生极化。

- + - + -

+ - + - +

- + - + - + + - + - + - + -

电子所在处出现了趋于 束缚这电子的势能阱, 束缚这电子的势能阱,这种束 缚作用称为电子的“自陷” 缚作用称为电子的“自陷”作 用。

负离子空位和被它俘获的电子

产生的电子束缚态称为自陷态, 产生的电子束缚态称为自陷态,同杂质所引进的局部能 态有区别,自陷态永远追随着电子从晶格中一处移到另一处, 态有区别,自陷态永远追随着电子从晶格中一处移到另一处, 这样一个携带着周围的晶格畸变而运动的电子, 这样一个携带着周围的晶格畸变而运动的电子,可看作一个准 粒子(电子+晶格的畸变),称为极化子 粒子 电子+晶格的畸变),称为极化子。 电子 ),称为极化子。

7.1.2 线缺陷
当晶格周期性的破坏是发生在晶体内部一条线的周围近邻, 当晶格周期性的破坏是发生在晶体内部一条线的周围近邻, 这就称为线缺陷。位错就是线缺陷。 这就称为线缺陷。位错就是线缺陷。 线缺陷 刃型位错 螺旋位错 A A′ B G H F b B′ E

1.刃型位错

刃型位错

设想晶体的上部沿ABEF平面向右推移, A′ B ′ 原来与 平面向右推移, 原来与AB 设想晶体的上部沿 平面向右推移 重合,经过这样的推压后,相对于 滑移一个原子间距 滑移一个原子间距b, 重合,经过这样的推压后,相对于AB滑移一个原子间距 ,EF 是已滑移区与未滑移区的交界线,称为位错线。 是已滑移区与未滑移区的交界线,称为位错线。 位错线

刃型位错的位错线与滑移方向垂直。

G A A′ B H F b B′ (a) E B B' C

H E (b) D

(b)图是 (a)图在晶体中垂直于 方向的一个原子平面的情 图是 图在晶体中垂直于 图在晶体中垂直于EF方向的一个原子平面的情 线以上原子向右推移一个原子间距, 况。BE线以上原子向右推移一个原子间距,然后上下原子对 线以上原子向右推移一个原子间距 处不能对齐, 齐,在EH处不能对齐,多了一排原子。 处不能对齐 多了一排原子。 刃型位错的另一个特征是位错线EF上带有一个多余的半 刃型位错的另一个特征是位错线 上带有一个多余的半 平面, 图中的EFGH平面,该面在 图中只能看到 这 平面, 图中只能看到EH这 平面,即 (a)图中的 图中的 平面 该面在(b)图中只能看到 条棱边。 条棱边。

实际晶体往往是由许多块具有完整性结构 的小晶体组成的, 的小晶体组成的,这些小晶体彼此间的取向有 着小角倾斜, 着小角倾斜,为了使结合部分的原子尽可能地 规则排列, 规则排列,就得每隔一定距离多生长出一层原 子面, 子面,这些多生长出来的半截原子面的顶端原 子链就是刃型位错。 子链就是刃型位错。 刃型位错 小角晶界上的刃型位错相互平行。 小角晶界上的刃型位错相互平行。 小角晶界上位错相隔的距离为
D= b
D= b

θ

θ
θ
,

b为原子间距,θ为两部分的倾角。 为原子间距, 为两部分的倾角。 为原子间距

2.螺旋位错 如图(a)设想把晶体沿 如图 设想把晶体沿ABCDD′A′A 设想把晶体沿 平面分为上、下两部分,将晶体的上、 平面分为上、下两部分,将晶体的上、 下做一个位移, 为已滑移区, 下做一个位移,ABCD为已滑移区, 为已滑移区 AD为滑移区与未滑移区的分界线, 为滑移区与未滑移区的分界线, 为滑移区与未滑移区的分界线 (a) 称为位错线。 称为位错线。 位错线

螺旋位错的位错线与滑移方向平行。
(b)图中的 点是螺旋位错线 上下方 图中的B点是螺旋位错线 图中的 点是螺旋位错线(上下方 的露出点。 向)的露出点。晶体绕该点右旋一周,原 的露出点 晶体绕该点右旋一周, 子平面上升一个台阶(即一个原子间距 , 子平面上升一个台阶 即一个原子间距), 即一个原子间距 围绕螺旋位错线的原子面是螺旋面。 螺旋位错线的原子面是螺旋面 围绕螺旋位错线的原子面是螺旋面。 (b)

7.1.3 面缺陷
当晶格周期性的破坏是发生在晶体内部一个面的近邻, 当晶格周期性的破坏是发生在晶体内部一个面的近邻, 这种缺陷为面缺陷。 这种缺陷为面缺陷。 面缺陷 1.晶粒间界 晶粒之间的交界称为晶粒间界 晶粒间界。 晶粒之间的交界称为晶粒间界。晶粒间界内原子的排列是 无规则的。因此这种边界是面缺陷。 无规则的。因此这种边界是面缺陷。晶粒间界内原子排列的结 面缺陷 构比较疏松,原子比较容易沿晶粒间界扩散。 构比较疏松,原子比较容易沿晶粒间界扩散。 2.堆垛间界 我们知道金属晶体常采用立方密积的结构形式, 我们知道金属晶体常采用立方密积的结构形式,而立方密 积是原子球以三层为一组, 积是原子球以三层为一组,如果把这样的一组三层记为 ABC, , 则晶面的排列形式为: 则晶面的排列形式为:? ? ? ABCABCABCA ? ? ? BC

如果在晶体生长过程中, 晶面丢失, 如果在晶体生长过程中,原来的A晶面丢失,于是晶 面的排列形式变成: & 面的排列形式变成: ? ? ? ABCABC BCABC ? ? ? 加 晶面便成为错位的面缺陷 晶面便成为错位的面缺陷。 ? 的B晶面便成为错位的面缺陷。

如从某一晶面开始,晶体的两部分发生滑移,比如从某 如从某一晶面开始,晶体的两部分发生滑移,比如从某C 晶面以后整体发生了滑移,B变成 ,则晶面的排列形式变成: 变成A,则晶面的排列形式变成: 晶面以后整体发生了滑移, 变成

& ? ? ? ABCABCBACBAC ? ? ?
加 面成为错位的面缺陷。 面成为错位的面缺陷 ? 的C面成为错位的面缺陷。

这一类整个晶面发生错位的缺陷称为堆垛缺陷。 这一类整个晶面发生错位的缺陷称为堆垛缺陷。 堆垛缺陷


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