晶体中的缺陷及其对材料性能的影响 前言 品体的主要特征是其中原子（或分子）的规则排列，但实际晶体中的原子 排列会由于各种原因或多或少地偏离严格的周期性，于是就形成了晶体的缺陷 晶体中缺陷的种类很多，它影响着晶体的力学、热学、电学、光学等各方面的 性质。晶体的缺陷表征对晶体 理想的周期结构的任何形式的偏离。 晶体缺陷的存在，破坏了完美晶体的有序性，引起晶体内能U和熵S增加 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，它们 分别取决于缺陷的延伸范围是零维、一维、二维还是三维来近似描述。每一类缺 陷都会对晶体的性能产生很大影响，例如点缺陷会影响晶体的电学、光学和机械 性能，线缺陷会严重影响晶体的强度、电性能等。 一、晶体缺陷的基本类型 点缺陷 1、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，因此又称为热缺陷
晶体中的缺陷及其对材料性能的影响 前言 晶体的主要特征是其中原子（或分子）的规则排列， 但实际晶体中的原子 排列会由于各种原因或多或少地偏离严格的周期性，于是就形成了晶体的缺陷， 晶体中缺陷的种类很多，它影响着晶体的力学、 热学、电学、光学等各方面的 性质。晶体的缺陷表征对晶体 理想的周期结构的任何形式的偏离。 晶体缺陷的存在，破坏了完美晶体的有序性，引起晶体内能 U 和熵 S 增加。 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，它们 分别取决于缺陷的延伸范围是零维、一维、二维还是三维来近似描述。每一类缺 陷都会对晶体的性能产生很大影响，例如点缺陷会影响晶体的电学、光学和机械 性能，线缺陷会严重影响晶体的强度、电性能等。 一、 晶体缺陷的基本类型 点缺陷 1、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，因此又称为热缺陷
2、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。 3、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陷。 ●●●●●●● ●●●●●●● 肖特基缺陷：空位和填隙原子可以成对地产生（弗仑克尔缺陷），也可以在晶 体内单独产生。若脱离格点的原子变成填隙原子，经过扩散跑到晶体表面占据正
2、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。 3、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陷。 肖特基缺陷：空位和填隙原子可以成对地产生(弗仑克尔缺陷），也可以在晶 体内单独产生。若脱离格点的原子变成填隙原子，经过扩散跑到晶体表面占据正
常格点位置，则在晶体内只留下空位，而没有填隙原子，仅由这种空位构成的缺 陷称之为肖特基缺陷.形成填隙原子时，原子挤入间隙位置所需的能量比产生肖 特基缺陷空位所需的能量大，一般地，当温度不太高时，肖特基缺陷的数目要比弗 仑克尔缺陷的数目大得多。 ● ● 杂质原子：实际晶体中存在某些微量杂质。一方面是晶体生长过程中引入的 另一方面是有目的地向晶体中掺入的一些微量杂质。当晶体存在杂质原子时，晶 体的内能会增加，由于少量的杂质可以分布在数量很大的格点或间隙位置上，使 晶体组态熵的变化也很大。因此温度T下，杂质原子的存在也可能使自由能降低， (F=-T)当杂质原子取代基质原子占据规则的格点位置时，形成替位式杂质， 如图a:若杂质原子占据间隙位置，形成间隙式杂质，如图 (63 fa) owa子度物然 对一定晶体，杂质原子是形成替位式杂质还是间隙式杂质，主要取决于杂质 原子与基质原子几何尺寸的的相对大小及其电负性。杂质原子比基质原子小得多 时，形成间隙式杂质：替位式杂质在晶体中的溶解度也决定于原子的几何尺寸和 化学因素。 色心：色心是一种非化学计量比引起的空位缺陷。该空位能够吸收可见光使
常格点位置，则在晶体内只留下空位，而没有填隙原子，仅由这种空位构成的缺 陷称之为 肖特基缺陷.形成填隙原子时,原子挤入间隙位置所需的能量比产生肖 特基缺陷空位所需的能量大,一般地,当温度不太高时,肖特基缺陷的数目要比弗 仑克尔缺陷的数目大得多。 杂质原子：实际晶体中存在某些微量杂质。一方面是晶体生长过程中引入的； 另一方面是有目的地向晶体中掺入的一些微量杂质。当晶体存在杂质原子时，晶 体的内能会增加，由于少量的杂质可以分布在数量很大的格点或间隙位置上，使 晶体组态熵的变化也很大。因此温度 T 下，杂质原子的存在也可能使自由能降低。 (F＝U-TS)当杂质原子取代基质原子占据规则的格点位置时，形成替位式杂质， 如图 a；若杂质原子占据间隙位置，形成间隙式杂质，如图 b 对一定晶体，杂质原子是形成替位式杂质还是间隙式杂质，主要取决于杂质 原子与基质原子几何尺寸的的相对大小及其电负性。杂质原子比基质原子小得多 时，形成间隙式杂质；替位式杂质在晶体中的溶解度也决定于原子的几何尺寸和 化学因素。 色心：色心是一种非化学计量比引起的空位缺陷。该空位能够吸收可见光使
原来透明的晶体出现颜色，因而称它们为色心，最简单的色心是F心。所谓F 心是离子晶体中的一个负离子空位束缚一个电子构成的点缺陷。与F心相对的色 心是V心。V心和F心在结构上是碱卤晶体中两种最简单的缺陷 线缺陷 1、线缺陷的定义： 当品格周期性的破坏发生在品体内部一条线的周围则称为线缺陷，通常又称 之为位错。它是由于应力超过弹性限度而使晶体发生范性形变所产生的，从晶体 内部看，它就是晶体的一部分相对于另一部分发生滑移，以致在滑移区的分界线 上出现线状缺陷。 2、位错的基本类型 常见的位错有两种形式：刃位错和螺位错。 刃位错：亦称棱位错。其特点是：原子的滑移方向与位错线的方向相垂直 (a)未滑动 (b)刃位错 螺位错：特点：是原子的滑移方向与位错线平行，且晶体内没有多余的半个 晶面。垂直于位错线的各个晶面可以看成由一个晶面以螺旋阶梯的形式构成。当 晶体中存在螺位错时，原来的一族平行晶面就变成为以位错线为轴的螺旋面
原来透明的晶体出现颜色，因而称它们为色心, 最简单的色心是 F 心。所谓 F 心是离子晶体中的一个负离子空位束缚一个电子构成的点缺陷。与 F 心相对的色 心是 V 心。V 心和 F 心在结构上是碱卤晶体中两种最简单的缺陷。 线缺陷 1、线缺陷的定义： 当晶格周期性的破坏发生在晶体内部一条线的周围则称为线缺陷，通常又称 之为位错。它是由于应力超过弹性限度而使晶体发生范性形变所产生的，从晶体 内部看，它就是晶体的一部分相对于另一部分发生滑移，以致在滑移区的分界线 上出现线状缺陷。 2、位错的基本类型: 常见的位错有两种形式：刃位错和螺位错。 刃位错：亦称棱位错。其特点是:原子的滑移方向与位错线的方向相垂直。 螺位错：特点:是原子的滑移方向与位错线平行，且晶体内没有多余的半个 晶面。垂直于位错线的各个晶面可以看成由一个晶面以螺旋阶梯的形式构成。当 晶体中存在螺位错时，原来的一族平行晶面就变成为以位错线为轴的螺旋面
螺位错 位错线的特征： 1.滑移区与未滑移区的分界线： 2.位错线附近原子排列失去周期性： 3.位错线附近原子受应力作用强，能量高，位错不是热运动的结果： 4.位错线的几何形状可能很复杂，可能在体内形成闭合线，可能在晶 体表面露头，不可能在体内中断。 刃型位错的特点是位错线垂直于滑移矢量b: 螺型位错的特点是位错线平行于滑移矢量b。 b又称为伯格斯(Burgers)矢量，它的模等于滑移方向上的平衡原子间距， 它的方向代表滑移方向。 除此之外，还存在位错线于滑移矢量既不平行又不垂直的混合型位错。混 合位错的原子排列介于刃型位错和螺型位错之间，可以分解为刃型位错和螺型位 错。 面缺陷 1、面缺陷的定义： 当晶格周期性的破坏发生在晶体内部一个面的周围则称为面缺陷。 2、常见的面缺陷的类型： 层错：是由于晶面堆积顺序发生错乱而引入的面缺陷，又称堆垛层错。 小角晶界：具有完整结构的晶体两部分彼此之间的取向有着小角度日的倾斜， 在角日里的部分是由少数几个多余的半晶面所组成的过波区，这个区域称小角 品界
螺位错 位错线的特征： 1.滑移区与未滑移区的分界线； 2.位错线附近原子排列失去周期性； 3.位错线附近原子受应力作用强，能量高，位错不是热运动的结果； 4.位错线的几何形状可能很复杂，可能在体内形成闭合线，可能在晶 体表面露头，不可能在体内中断。 刃型位错的特点是位错线垂直于滑移矢量 b； 螺型位错的特点是位错线平行于滑移矢量 b。 b 又称为伯格斯（Burgers）矢量，它的模等于滑移方向上的平衡原子间距， 它的方向代表滑移方向。 除此之外，还存在位错线于滑移矢量既不平行又不垂直的混合型位错。混 合位错的原子排列介于刃型位错和螺型位错之间，可以分解为刃型位错和螺型位 错 。 面缺陷 1、面缺陷的定义： 当晶格周期性的破坏发生在晶体内部一个面的周围则称为面缺陷。 2、常见的面缺陷的类型： 层错：是由于晶面堆积顺序发生错乱而引入的面缺陷，又称堆垛层错。 小角晶界：具有完整结构的晶体两部分彼此之间的取向有着小角度 θ 的倾斜， 在角 θ 里的部分是由少数几个多余的半晶面所组成的过渡区，这个区域称 小角 晶界