第四章晶体的缺陷 思考题 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 2.热膨胀引起的晶体尺寸的相对变化量业L/L与X射线衍射测定的晶格常数相对变化量 Aa/a存在差异,是何原因? [解答] 肖特基缺陷指的是晶体内产生空位缺陷但不伴随岀现填隙原子缺陷,原空位处的原子 跑到晶体表面层上去了.也就是说,肖特基缺陷将引起晶体体积的增大.当温度不是太高 时,肖特基缺陷的数目要比弗仑克尔缺陷的数目大得多.X射线衍射测定的晶格常数相对变 化量Δa/a,只是热膨胀引起的晶格常数相对变化量.但晶体尺寸的相对变化量△L/L不 仅包括了热膨胀引起的晶格常数相对变化量,也包括了肖特基缺陷引起的晶体体积的增大 因此,当温度不是太高时,一般有关系式 △L△a 3.KC1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? [解答] 由于Ca2离子的半径(0.9A)比K离子的半径(.33A)小得不是太多,所以Ca2 离子难以进入KCl晶体的间隙位置,而只能取代K占据K+离子的位置.但Ca比K+高 价,为了保持电中性(最小能量的约束),占据K+离子的一个Ca将引起相邻的一个 K变成空位.也就是说,加入的CaCl2越多,K空位就越多.又因为Ca的原子量(40.08) 与K的原子量(39.102)相近,所以在KC1溶液中加入适量的CaCl2溶液引起K+空位,将导 致KCl晶体的质量密度比理论值小 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? [解答] 形成一个肖特基缺陷时,晶体内留下一个空位,晶体表面多一个原子.因此形成形成 个肖特基缺陷所需的能量,可以看成晶体表面一个原子与其它原子的相互作用能,和晶体 内部一个原子与其它原子的相互作用能的差值.形成一个弗仑克尔缺陷时,晶体内留下一个 空位,多一个填隙原子.因此形成一个弗仑克尔缺陷所需的能量,可以看成晶体内部一个填 隙原子与其它原子的相互作用能,和晶体内部一个原子与其它原子相互作用能的差值.填
第四章 晶体的缺陷 思 考 题 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. 2.热膨胀引起的晶体尺寸的相对变化量 L / L 与 X 射线衍射测定的晶格常数相对变化量 a / a 存在差异， 是何原因？ [解答] 肖特基缺陷指的是晶体内产生空位缺陷但不伴随出现填隙原子缺陷, 原空位处的原子 跑到晶体表面层上去了. 也就是说, 肖特基缺陷将引起晶体体积的增大. 当温度不是太高 时, 肖特基缺陷的数目要比弗仑克尔缺陷的数目大得多. X 射线衍射测定的晶格常数相对变 化量 Δa/ a, 只是热膨胀引起的晶格常数相对变化量. 但晶体尺寸的相对变化量 ΔL/ L 不 仅包括了热膨胀引起的晶格常数相对变化量, 也包括了肖特基缺陷引起的晶体体积的增大. 因此, 当温度不是太高时, 一般有关系式 L ΔL > a Δ a . 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？ [解答] 由于 2+ Ca 离子的半径(0.99 o A )比 + K 离子的半径(1.33 o A )小得不是太多, 所以 2+ Ca 离子难以进入 KCl 晶体的间隙位置, 而只能取代 + K 占据 + K 离子的位置. 但 2+ Ca 比 + K 高 一价, 为了保持电中性(最小能量的约束), 占据 + K 离子的一个 2+ Ca 将引起相邻的一个 + K 变成空位. 也就是说, 加入的 CaCl2 越多, + K 空位就越多. 又因为 Ca 的原子量(40.08) 与 K 的原子量(39.102)相近, 所以在 KCl 溶液中加入适量的 CaCl2 溶液引起 + K 空位, 将导 致 KCl 晶体的质量密度比理论值小. 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? [解答] 形成一个肖特基缺陷时，晶体内留下一个空位，晶体表面多一个原子. 因此形成形成一 个肖特基缺陷所需的能量, 可以看成晶体表面一个原子与其它原子的相互作用能, 和晶体 内部一个原子与其它原子的相互作用能的差值. 形成一个弗仑克尔缺陷时，晶体内留下一个 空位，多一个填隙原子. 因此形成一个弗仑克尔缺陷所需的能量, 可以看成晶体内部一个填 隙原子与其它原子的相互作用能, 和晶体内部一个原子与其它原子相互作用能的差值. 填
隙原子与相邻原子的距离非常小,它与其它原子的排斥能比正常原子间的排斥能大得多 由于排斥能是正值,包括吸引能和排斥能的相互作用能是负值,所以填隙原子与其它原子 相互作用能的绝对值,比晶体表面一个原子与其它原子相互作用能的绝对值要小.也就是 说,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要低. 5.金属淬火后为什么变硬? [解答] 我们已经知道晶体的一部分相对于另一部分的滑移,实际是位错线的滑移,位错线的 移动是逐步进行的,使得滑移的切应力最小.这就是金属一般较软的原因 显然,要 提高金属的强度和硬度,似乎可以通过消除位错的办法来实现.但事实上位错是很难消除 的.相反,要提高金属的强度和硬度,通常采用增加位错的办法来实现.金属淬火就是增 加位错的有效办法.将金属加热到一定高温,原子振动的幅度比常温时的幅度大得多,原 子脱离正常格点的几率比常温时大得多,晶体中产生大量的空位、填隙缺陷.这些点缺陷容 易形成位错.也就是说,在高温时,晶体内的位错缺陷比常温时多得多.高温的晶体在适 宜的液体中急冷,高温时新产生的位错来不及恢复和消退,大部分被存留了下来.数目众 多的位错相互交织在一起,某一方向的位错的滑移,会受到其它方向位错的牵制,使位错 滑移的阻力大大增加,使得金属变硬. 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? [解答] 在位错滑移时,刃位错上原子受力的方向就是位错滑移的方向.但螺位错滑移时,螺 位错上原子受力的方向与位错滑移的方向相垂直 7.试指出立方密积和六角密积晶体滑移面的面指数. [解答] 滑移面一定是密积面,因为密积面上的原子密度最大,面与面的间距最大,面与面之 间原子的相互作用力最小.对于立方密积,{1}是密积面.对于六角密积,(001)是密积面 因此,立方密积和六角密积晶体滑移面的面指数分别为{11和(001) 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? 解答] 由(4.48)式可知,在正负离子空位数目、填隙离子数目都相等情况下,ABˉ离子晶体 的热缺陷对导电的贡献只取决于它们的迁移率H.设正离子空位附近的离子和填隙离子的 振动频率分别为和疒,正离子空位附近的离子和填隙离子跳过的势垒高度分别为4 和2,负离子空位附近的离子和填隙离子的振动频率分别为"E和,负离子空位附近 的离子和填隙离子跳过的势垒高度分别为,则由(4.47)矢可得 4-E,/kg/ kBT VR-E-/kgT k t
隙原子与相邻原子的距离非常小, 它与其它原子的排斥能比正常原子间的排斥能大得多. 由于排斥能是正值, 包括吸引能和排斥能的相互作用能是负值, 所以填隙原子与其它原子 相互作用能的绝对值, 比晶体表面一个原子与其它原子相互作用能的绝对值要小. 也就是 说, 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要低. 5.金属淬火后为什么变硬? [解答] 我们已经知道 晶体的一部分相对于另一部分的滑移, 实际是位错线的滑移, 位错线的 移动是逐步进行的, 使得滑移的切应力最小. 这就是金属一般较软的原因之一. 显然, 要 提高金属的强度和硬度, 似乎可以通过消除位错的办法来实现. 但事实上位错是很难消除 的. 相反, 要提高金属的强度和硬度, 通常采用增加位错的办法来实现. 金属淬火就是增 加位错的有效办法. 将金属加热到一定高温, 原子振动的幅度比常温时的幅度大得多, 原 子脱离正常格点的几率比常温时大得多, 晶体中产生大量的空位、填隙缺陷. 这些点缺陷容 易形成位错. 也就是说, 在高温时, 晶体内的位错缺陷比常温时多得多. 高温的晶体在适 宜的液体中急冷, 高温时新产生的位错来不及恢复和消退, 大部分被存留了下来. 数目众 多的位错相互交织在一起, 某一方向的位错的滑移, 会受到其它方向位错的牵制, 使位错 滑移的阻力大大增加, 使得金属变硬. 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? [解答] 在位错滑移时, 刃位错上原子受力的方向就是位错滑移的方向. 但螺位错滑移时, 螺 位错上原子受力的方向与位错滑移的方向相垂直. 7.试指出立方密积和六角密积晶体滑移面的面指数. [解答] 滑移面一定是密积面, 因为密积面上的原子密度最大, 面与面的间距最大, 面与面之 间原子的相互作用力最小. 对于立方密积, {111}是密积面. 对于六角密积, (001)是密积面. 因此, 立方密积和六角密积晶体滑移面的面指数分别为{111}和(001). 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? [解答] 由(4.48)式可知, 在正负离子空位数目、填隙离子数目都相等情况下, + − A B 离子晶体 的热缺陷对导电的贡献只取决于它们的迁移率 . 设正离子空位附近的离子和填隙离子的 振动频率分别为 + Av 和 + Ai , 正离子空位附近的离子和填隙离子跳过的势垒高度分别为 + Av E 和 + Ai E , 负离子空位附近的离子和填隙离子的振动频率分别为 − Bv 和 − Bi , 负离子空位附近 的离子和填隙离子跳过的势垒高度分别 − Bv E 为 − Bi E , 则由(4.47)矢可得 E k T B A A B Av v v e k T ea / 2 + + + − = , E k T B A A B i i A i e k T ea / 2 + + + − = , E k T B B B B Bv v v e k T ea / 2 − − − − = , E k T B B B B Bi i i e k T ea / 2 − − − − =
由空位附近的离子跳到空位上的几率,比填隙离子跳到相邻间隙位置上的几率大得多,可 以推断出空位附近的离子跳过的势垒高度,比填隙离子跳过的势垒高度要低,即 E<E.由问题1.已知,所以有<,E<.另外,由于A和B的离子半 径不同,质量不同,所以一般E。丰E,P个≠g 也就是说,一般雩μg≠H町,因此,即使离子晶体中正负离子空位数目、填隙 离子数目都相等,在外电场作用下,它们对导电的贡献一般也不会相同 9.晶体结构对缺陷扩散有何影响 [解答] 扩散是自然界中普遍存在的现象,它的本质是离子作无规则的布郎运动.通过扩散可 实现质量的输运.晶体中缺陷的扩散现象与气体分子的扩散相似,不同之处是缺陷在晶体 中运动要受到晶格周期性的限制,要克服势垒的阻挡,对于简单晶格,缺陷每跳一步的间 距等于跳跃方向上的周期 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? [解答] 填隙原子机构的自扩散系数 D=-vaetunE2)/kg! 空位机构自扩散系数 D,=-vorae-lu*E 自扩散系数主要决定于指数因子,由问题4.和8.已知,"1<2,E1<E2,所以填隙原子机 构的自扩散系数小于空位机构的自扩散系数 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? [解答] 与填隙原子相邻的一个格点是空位的几率是η1/N,平均来说,填隙原子要跳N/n1步 才遇到一个空位并与之复合.所以一个填隙原子平均花费 N (u+E,)/kgT n1 的时间才被空位复合掉 由(4.5)式可得一个正常格点上的原子变成间隙原子所需等待的时间 n2r n,h2 .e(u,+2+E2)/kgT 由以上两式得 =e"/k 这说明,一个正常格点上的原子变成间隙原子所需等待的时间,比一个填隙原子从出现到 被空位复合掉所需要的时间要长得 12.一个空位花费多长时间才被复合掉? [解答] 对于借助于空位进行扩散的正常晶格上的原子,只有它相邻的一个原子成为空位时
由空位附近的离子跳到空位上的几率, 比填隙离子跳到相邻间隙位置上的几率大得多, 可 以推断出空位附近的离子跳过的势垒高度, 比填隙离子跳过的势垒高度要低, 即 + Av E < + Ai E , − Bv E < − Bi E . 由问题 1.已知, 所以有 + Av < + Ai , − Bv < − Bi . 另外, 由于 + A 和 − B 的离子半 径不同, 质量不同, 所以一般 + − A B E E , + − A B . 也就是说, 一般 + + − − Av Ai Bv Bi . 因此, 即使离子晶体中正负离子空位数目、填隙 离子数目都相等, 在外电场作用下, 它们对导电的贡献一般也不会相同. 9.晶体结构对缺陷扩散有何影响? [解答] 扩散是自然界中普遍存在的现象, 它的本质是离子作无规则的布郎运动. 通过扩散可 实现质量的输运. 晶体中缺陷的扩散现象与气体分子的扩散相似, 不同之处是缺陷在晶体 中运动要受到晶格周期性的限制, 要克服势垒的阻挡, 对于简单晶格, 缺陷每跳一步的间 距等于跳跃方向上的周期. 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？ [解答] 填隙原子机构的自扩散系数 u E kBT D ae ( )/ 2 02 2 2 2 1 − + = , 空位机构自扩散系数 u E kBT D ae ( )/ 1 01 1 1 2 1 − + = . 自扩散系数主要决定于指数因子, 由问题 4.和 8.已知, 1 u < 2 u , E1 < E2 , 所以填隙原子机 构的自扩散系数小于空位机构的自扩散系数. 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? [解答] 与填隙原子相邻的一个格点是空位的几率是 n1 / N , 平均来说, 填隙原子要跳 1 N / n 步 才遇到一个空位并与之复合. 所以一个填隙原子平均花费 u E kBT e n N t ( )/ 02 2 1 1 2 1 + = = 的时间才被空位复合掉. 由(4.5)式可得一个正常格点上的原子变成间隙原子所需等待的时间 u u E kBT e n n N P ( ) / 1 2 02 2 2 1 2 2 1 1 + + = = = . 由以上两式得 2 / 2 n N e t u kBT = = >>1. 这说明, 一个正常格点上的原子变成间隙原子所需等待的时间, 比一个填隙原子从出现到 被空位复合掉所需要的时间要长得多. 12.一个空位花费多长时间才被复合掉？ [解答] 对于借助于空位进行扩散的正常晶格上的原子, 只有它相邻的一个原子成为空位时
它才扩散一步,所需等待的时间是.但它相邻的一个原子成为空位的几率是n1N,所 以它等待到这个相邻原子成为空位,并跳到此空位上所花费的时间 nI 13.自扩散系数的大小与哪些因素有关? [解答] 填隙原子机构的自扩散系数与空位机构自扩散系数可统一写成 D= Vote7、l -noae-n/Rt 2 可以看出,自扩散系数与原子的振动频率,晶体结构(晶格常数a),激活能(N0E)三因 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? [解答] 占据正常晶格位置的替位式杂质原子,它的原子半径和电荷量都或多或少与母体原子 半径和电荷量不同.这种不同就会引起杂质原子附近的晶格发生畸变,使得畸变区出现空 位的几率大大增加,进而使得杂质原子跳向空位的等待时间大为减少,加大了杂质原子的 扩散速度 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? [解答] 正常晶格位置上的一个原子等待了时间τ后变成填隙原子,又平均花费时间 nI 后被空位复合重新进入正常晶格位置,其中φ是填隙原子从一个间隙位置跳到相邻间隙位 置所要等待的平均时间.填隙原子自扩散系数反比于时间 t=T+-I2 ny 因为 所以填隙原子自扩散系数近似反比于τ.填隙杂质原子不存在由正常晶格位置变成填隙原 子的漫长等待时间τ,所以填隙杂质原子的扩散系数比母体填隙原子自扩散系数要大得多. 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? [解答] 前固体物理教科书对自扩散的分析,是基于点缺陷的模型,这一模型过于简单,与 晶体缺陷的实际情况可能有较大差别.实际晶体中,不仅存在点缺陷,还存在线缺陷和面 缺陷,这些线度更大的缺陷可能对扩散起到重要影响.也许没有考虑线缺陷和面缺陷对自 扩散系数的贡献是理论值比实验值小很多的主要原因 17.A+B离子晶体的导电机构有几种? [解答] 离子晶体导电是离子晶体中的热缺陷在外电场中的定向飘移引起的.AB-离子晶体 中有4种缺陷:A填隙离子,Bˉ填隙离子,A'空位,B空位.也就是说,ABˉ离子晶 体的导电机构有4种.空位的扩散实际是空位附近离子跳到空位位置,原来离子的位置变
它才扩散一步, 所需等待的时间是 1 . 但它相邻的一个原子成为空位的几率是 n1 / N , 所 以它等待到这个相邻原子成为空位, 并跳到此空位上所花费的时间 u E kBT e n N t ( )/ 01 1 1 1 1 1 + = = . 13.自扩散系数的大小与哪些因素有关? [解答] 填隙原子机构的自扩散系数与空位机构自扩散系数可统一写成 k T N RT D a e a e B 2 / 0 2 / 0 0 2 1 2 1 − − = = . 可以看出, 自扩散系数与原子的振动频率 0 , 晶体结构(晶格常数 a ), 激活能( N0 )三因 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? [解答] 占据正常晶格位置的替位式杂质原子, 它的原子半径和电荷量都或多或少与母体原子 半径和电荷量不同. 这种不同就会引起杂质原子附近的晶格发生畸变, 使得畸变区出现空 位的几率大大增加, 进而使得杂质原子跳向空位的等待时间大为减少, 加大了杂质原子的 扩散速度. 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? [解答] 正常晶格位置上的一个原子等待了时间 后变成填隙原子, 又平均花费时间 2 1 n N 后被空位复合重新进入正常晶格位置, 其中 2 是填隙原子从一个间隙位置跳到相邻间隙位 置所要等待的平均时间. 填隙原子自扩散系数反比于时间 2 1 n N t = + . 因为 >> 2 1 n N , 所以填隙原子自扩散系数近似反比于 . 填隙杂质原子不存在由正常晶格位置变成填隙原 子的漫长等待时间 , 所以填隙杂质原子的扩散系数比母体填隙原子自扩散系数要大得多. 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？ [解答] 目前固体物理教科书对自扩散的分析, 是基于点缺陷的模型, 这一模型过于简单, 与 晶体缺陷的实际情况可能有较大差别. 实际晶体中, 不仅存在点缺陷, 还存在线缺陷和面 缺陷, 这些线度更大的缺陷可能对扩散起到重要影响. 也许没有考虑线缺陷和面缺陷对自 扩散系数的贡献是理论值比实验值小很多的主要原因. 17. + − A B 离子晶体的导电机构有几种? [解答] 离子晶体导电是离子晶体中的热缺陷在外电场中的定向飘移引起的. + − A B 离子晶体 中有4种缺陷: + A 填隙离子, − B 填隙离子, + A 空位, − B 空位. 也就是说, + − A B 离子晶 体的导电机构有 4 种. 空位的扩散实际是空位附近离子跳到空位位置, 原来离子的位置变
成了空位.A+B离子晶体中,A*空位附近都是负离子,B-空位附近都是正离子.由此 可知,A空位的移动实际是负离子的移动,B空位的移动实际是正离子的移动.因此, 在外电场作用下,A填隙离子和B空位的漂移方向与外电场方向一致,而B填隙离子和 A*空位的漂移方向与外电场方向相反
成了空位. + − A B 离子晶体中, + A 空位附近都是负离子, − B 空位附近都是正离子. 由此 可知, + A 空位的移动实际是负离子的移动, − B 空位的移动实际是正离子的移动. 因此, 在外电场作用下, + A 填隙离子和 − B 空位的漂移方向与外电场方向一致, 而 − B 填隙离子和 + A 空位的漂移方向与外电场方向相反