[工学]第 三 章 晶 体 缺 陷.ppt

第 二 章 金属晶体缺陷 l晶体结构完整地有规则排列 只是理想情况由于原子的 热振 动以及晶体的形成过程 、加工过程及使用过程受到 种种条件的影 响，在实际的 晶体结构中，原子（离子、 原子团）并非完整地完 全有 规律排列的，它存在各种不 完整性，即晶体缺陷晶体中的缺陷概论第一节 材料的实际晶体结构晶体缺陷：即使在每个晶粒的内部，也并不完全象 晶体学中论述的(理想晶体)那样，原子完全呈现 周期性的规则重复的排列把实际晶体中原子排 列与理想晶体的差别称为晶体缺陷晶体中的缺 陷的数量相当大，但因原子的数量很多，在晶体 中占有的比例还是很少，材料总体具有晶体的相 关性能特点，而缺陷的数量将给材料的性能带来 巨大的影响crystal defect; crystalline imperfection)通常晶体缺陷对对材料的很多物理化学过程以及性质起重要作用，在这 些过程中常 常扮演主要角色，而晶体的规则性只退居为舞台的背景晶体缺陷在材料组织控制（如扩散、相变）和性能控制（如材料强化） 中具有重要作用就好象维纳斯“无臂”之美更深入人心 晶体缺陷赋予 材料丰富内容三、晶体中的缺陷概论晶体缺陷按范围分类：1. 点缺陷 在三维空间各方向上尺寸都很小，在原子尺寸大 小的晶体缺陷。

晶体中的空位、间隙原子、杂质原子等 是点缺陷 2. 线缺陷 在三维空间的一个方向上的尺寸很大(晶粒数量 级)，另外两个方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶体 缺陷其具体形式就是晶体中的位错Dislocation 3. 面缺陷 在三维空间的两个方向上的尺寸很大(晶粒数量 级)，另外一个方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶体 缺陷晶体中的晶界、相界、晶体表面、堆垛层错等是 面缺陷点缺陷l 1926年Frankel为了解释离子晶体导电的实 验事实，提出了离子晶体的点缺陷理论 l1942年F. Seitz和H. B. Huntington为了阐明 扩散机制，发表了他们对立方金属晶体中 缺陷的一些基本性质 l二十世纪50-60年代，由于原子能反应堆技 术的进展，高能粒子对固体晶体的辐照损 伤效应引起了人们的高度重视，又推动了 晶体中点缺陷的深入研究l 二十世纪70年代由于点缺陷及其与位错的交互作 用对半导体的性能有着很大影响，引起人们对半 导体点缺陷性质的注意，并采用核磁共振等近代 物理实验技术对点缺陷周围的状态（尤其是电子 结构和能态）进行了深入的研究 l 当前，随着大规模集成电路和各项信息技术、太 阳能电池的飞速发展，对点缺陷的研究更为迫切 。

采用高分辨率电子显微分析技术，可以直接看 到点缺陷的相位衍射图像，使晶体点缺陷的理论 和实验更加完善热缺陷的定义l 当晶体的温度高于绝对零度时，晶格内原子吸收 能量，在其平衡位置附近热振动温度越高，热 振动幅度加大，原子的平均动能随之增加热振 动的原子在某一瞬间可以获得较大的能量，挣脱 周围质点的作用，离开平衡位置，进入到晶格内 的其它位置，而在原来的平衡格点位置上留下空位这种由于晶体内部质点热运动而形成的缺陷 称为热缺陷热缺陷类型•按照离开平衡位置原子进入晶格内的不同位置，热缺陷以此分为 二类：1. 弗伦克尔缺陷（Frenkel） 离开平衡位置的原子进入晶格的间隙位置，晶体中形成了弗伦克尔缺陷弗伦克尔缺陷的特点是空位和间隙原子同时出现，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2. 肖特基缺陷（Schottky） 离开平衡位置的原子迁移至晶体表面的正常格点位置，而晶体内 仅留有空位，晶体中形成了肖特基缺陷晶体表面增加了新的原 子层，晶体内部只有空位缺陷肖特基缺陷的特点晶体体积膨胀 ，密度下降点缺陷的形成弗仑克耳缺陷：原子离开平衡位置进入间隙，形成等量的空 位和间隙原子。

肖特基缺陷：只形成空位不形成间隙原子构成新的晶面 ） 金属：离子晶体：1 负离子不 能到间隙2 局部电中 性要求l l 离开平衡位置的原子有三个去处离开平衡位置的原子有三个去处: : l l (1)(1)形成形成SchottkySchottky空位（空位（vacancyvacancy）） l l (2)(2)形成形成FrankelyFrankely缺陷缺陷 l l (3)(3)跑到其它空位上使空位消失或移位跑到其它空位上使空位消失或移位 l l 点缺陷的类型：点缺陷的类型：( (固溶体）固溶体） l l （（1 1）空位）空位 l l （（2 2）间隙原子（异类）（）间隙原子（异类）（interstital atom)interstital atom) l l （（3 3）自间隙原子）自间隙原子( (同类同类) ) （（self- interstital atomself- interstital atom ）） l l （（4 4）置换原子）置换原子( (substitutional atomsubstitutional atom) ) ：：点缺陷类型1 点缺陷类型2l空位等点缺陷与线缺陷、面缺陷的区别之 一在于后者是热力学不稳定的缺陷，而点 缺陷可以在热力学平衡的晶体中存在，是 热力学稳定的缺陷。

在一定温度下，晶体 中有一定的平衡数量的空位和间隙原子， 其数量可近似地分别计算出来l *讨论 l 1、影响点缺陷浓度的主要因素是U、T，因此： l 温度愈高，点缺陷的浓度愈大； l 点缺陷形成能愈小，点缺陷的浓度愈高 l 而exp是一个大致确定的数，在1~100之间变化 l 2、U对点缺陷的影响成指数关系，故U的微小变化，可 引起点缺陷浓度很大的变化因此，晶体中几种点缺陷同 时存在的可能性较小，往往是形成能最低的点缺陷占着主 要形式 l 3、温度升高空位浓度增大，因此可以把晶体加热到高 温，再用激冷的方法，把空位“冻结”在晶体内，得到不平 衡的淬火空位，以改变晶体的性能l 要计算空位和间隙原子的平衡浓度，首先应知道 空位和间隙原子的形成能（即在晶体中形成一个 空位或一个间隙原子所需要的能量）空位的存 在，使周围原子失去一个近邻原子而影响原子间 作用力的平衡，因而，周围的原子都要向空位方 向稍微作些调整，造成了点阵的局部弹性畸变 同样，在间隙原子所在处的点阵也会发生弹性畸 变显然，在这两种情况下，空位引起的畸变较 小在金属晶体中，由于间隙原子的形成能(为空 位的３～４倍)，例如铜的空位形成能约为 0.17×10-19J，而其间隙原子形成能约为0.48×10- 19J。

l在同一温度下，间隙原子平衡浓度远低于 平衡空位浓度以上述的铜为例，在1273K 时，空位的平衡浓度约为10-4，而间隙原子 仅约为10-14，其浓度比接近1010这说明， 在通常情况下，晶体中间隙原子数目甚少 ，相对于空位可予忽略不计（但在高能粒 子辐照后，产生大量的弗兰克尔缺陷，间 隙原子数目增高，不能忽视）所以，一 般晶体中主要点缺陷是空位 l这意味着，靠晶格结点上的原子借热振动 的帮助跳入间隙位置，从而形成等量空位 和间隙原子的方式来产生平衡空位的可能 性是很小的空位的产生主要靠结点上的 原子跳往晶体表面、晶界及位错处换句 话讲，晶体表面、晶界和位错起着空位源 泉的作用当然，它们同时也充当着空位 的尾闾，即它们也是空位消亡的地方￿￿一些金属晶体的空位形成能ΔＥf金 属AuAgCuPtAlWPbMgSn形成能 （×10-19J ）0.150.170.170.240.120.560.080.140.08空位和间间隙原子的平衡浓浓度随温度的升高而急剧剧增加，呈指数关系 例如，铜铜晶体中空位浓浓度随温度的变变化为为：温度（K）10030050070090010001273空位浓浓度（ n/N）10-5710-1910-1110-8.110-6.310-5.710-4而铝铝在300K时时的空位平衡浓浓度为为10-12，温度升到900K时时，平衡浓浓度增 加到10-4。

l晶体中的空位是处在不断地产生和消失的 过程中，新的空位不断产生，原来的空位 不断由于复合而消失若单位时间内产生 的空位和消失的数量相等时，则空位的数 量保持不变 点缺陷的移动 l晶体中的空位和间隙原子不是固定不动的 ，而是处于不断的运动变化之中由于原 子间能量的不均匀分布，当空位周围的原 子因热振动而获得足够的能量，就有可能 迁移到该空位 点缺陷的运动点缺陷的运动l l点缺陷的运动方式：点缺陷的运动方式： l l(1) (1) 空位运动空位运动 l l(2) (2) 间隙原子迁移间隙原子迁移 l l(3) (3) 空位和间隙原子相遇，两缺陷同时消失空位和间隙原子相遇，两缺陷同时消失 l l(4) (4) 逸出晶体到表面，或移到晶界，点缺陷逸出晶体到表面，或移到晶界，点缺陷 消失消失点缺陷的运动 （迁移、复合－浓度降低；聚集－浓度升高－塌陷）点缺陷对材料性能的影响原因：无论那种点缺陷的存在，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 效果1) 提高材料的电阻 定向流动的电子在点缺陷处受到非 平衡力(陷阱)，增加了阻力，加速运动提高局部温度 (发热)。

2) 加快原子的扩散迁移 空位可作为原子运动的周转站 3) 形成其他晶体缺陷 过饱和的空位（淬火、辐照和塑 变）可集中形成内部的空洞，集中一片的塌陷形成位 错 4) 改变材料的力学性能 空位移动到位错处可造成刃位 错的攀移，间隙原子和异类原子的存在会增加位错的 运动阻力会使强度提高，塑性下降、 位位 错错l l概述概述 l l位错（位错（dislocationdislocation）是一种线缺陷）是一种线缺陷, ,它是晶它是晶 体中某处一列或若干列原子发生了有规律体中某处一列或若干列原子发生了有规律 错排现象；错排区是细长的管状畸变区错排现象；错排区是细长的管状畸变区, ,长长 度可达几百至几万个原子间距度可达几百至几万个原子间距, ,宽仅几个原宽仅几个原 子间距子间距 l l位错理论位错理论是上个世纪材料科学最杰出的成是上个世纪材料科学最杰出的成 就之一就之一l 美国《金属杂志》评选出材料科学与工程领域历史上十个 “最伟大事件” l 2006年9月，美国《金属杂志》（Journal of Metals, JOM）发起了评选材料科学与工程历史上“最伟大的材料 事件”（Greatest Materials Moments）活动。

JOM由美 国矿物、金属与材料学会（The Minerals, Metals & Materials Society, TMS）主办TMS是一个涉及材料科 学与工程所有领域的专业国际组织，总部设在美国，涵盖 的学科方向从矿物工艺、基本金属制造到材料的基础研究 和深入应用TMS的会员来自世界6大洲70多个国家的冶 金学与材料工程师、科学家、研究人员、教育家、管理人 员和学生 l JOM主办此次活动的目的旨在弘扬材料科学在人 类历史发展进程中的影响力和庆祝TMS成立50周 年最伟大的材料事件”被定义为：一项人类的 观测或者介入，导致人类对材料行为的理解产生 标志性进展的关键或决定性事件，它开辟了材料 利用的新纪元，或者产生了由材料引发的社会经 济重大变化首先，JOM 邀请众多材料领域的杰 出专业人士评述他们关于“最伟大的材料事件”的 观点基于他们的评述，JOM 整理出一份超过 650个候选者的详细目录，然后进一步遴选出100 个正式的候选名单，并刊登于2006年11月份出版 的JOM上近千名来自材料科学领域的专业人员 和普通公众参与了投票 l2007年2月26日-3月1日，TMS在。