缺陷和非整比化合物四讲课文档.ppt

缺陷和非整比化合物四第一页，共四十九页晶体缺陷晶体缺陷第二页，共四十九页所谓平移对称性就是指对空间点阵，任选所谓平移对称性就是指对空间点阵，任选一个最小的基本单元，在空间三维方向进一个最小的基本单元，在空间三维方向进行平移，这个单元能够无一遗漏地完全复行平移，这个单元能够无一遗漏地完全复制所有空间格点制所有空间格点由于局部地方格点的破坏导致平移操作无法完整由于局部地方格点的破坏导致平移操作无法完整地复制全部的二维点阵这样的晶体，我们就称地复制全部的二维点阵这样的晶体，我们就称之为含缺陷的晶体，对称性破坏的局部区域称为之为含缺陷的晶体，对称性破坏的局部区域称为晶体缺陷晶体缺陷第三页，共四十九页晶体结构缺陷的类型晶体结构缺陷的类型 分类方式：分类方式：几何形态：点缺陷、线缺陷、面缺陷等几何形态：点缺陷、线缺陷、面缺陷等形成原因：热缺陷、杂质缺陷、非化学形成原因：热缺陷、杂质缺陷、非化学 计量缺陷等计量缺陷等第四页，共四十九页晶体缺陷的分类晶体缺陷的分类结构缺陷结构缺陷（本征缺陷）（本征缺陷）第五页，共四十九页点缺陷：发生在晶格中一个原子尺寸范围内的一类缺陷，亦称零点缺陷：发生在晶格中一个原子尺寸范围内的一类缺陷，亦称零维缺陷，例如空位、间隙原子等。

维缺陷，例如空位、间隙原子等线缺陷：缺陷只在一个方向上延伸，或称一维缺陷，主要线缺陷：缺陷只在一个方向上延伸，或称一维缺陷，主要是各种形式的是各种形式的“位错位错”，例如晶格中缺少一列原子即形成线缺，例如晶格中缺少一列原子即形成线缺陷面缺陷：晶体内一个晶面不按规定的方式来堆积，部分偏离周期面缺陷：晶体内一个晶面不按规定的方式来堆积，部分偏离周期性点阵结构的二维缺陷，即在堆积过程中偶尔有一个晶面不按规性点阵结构的二维缺陷，即在堆积过程中偶尔有一个晶面不按规定的方式来堆积，于是这一层之间就产生了面缺陷定的方式来堆积，于是这一层之间就产生了面缺陷体缺陷：指在三维方向上相对尺寸较大的缺陷，例如完整的晶格体缺陷：指在三维方向上相对尺寸较大的缺陷，例如完整的晶格中可能存在着空洞或夹杂有包裹物等，使得晶体内部的空间点阵中可能存在着空洞或夹杂有包裹物等，使得晶体内部的空间点阵结构整体中出现了异性形式的缺陷结构整体中出现了异性形式的缺陷第六页，共四十九页点缺陷点缺陷空位空位间隙原子间隙原子第七页，共四十九页点缺陷点缺陷定义：定义： 又又称称零零维维缺缺陷陷（Point Point DefectDefect），缺缺陷陷尺尺寸寸处处于于原子大小的数量级上，即三维方向上缺陷的尺寸都很小。

原子大小的数量级上，即三维方向上缺陷的尺寸都很小包括：空位（包括：空位（vacancyvacancy）、间隙质点（）、间隙质点（interstitial interstitial particle particle）、错位原子或离子错位原子或离子第八页，共四十九页第九页，共四十九页第十页，共四十九页在晶体中，位于点阵结点上的原子并非静止在晶体中，位于点阵结点上的原子并非静止的，而是以平衡位置为中心作热振动的，而是以平衡位置为中心作热振动原子的振动能是按几率分布，有起伏涨落的原子的振动能是按几率分布，有起伏涨落的当某一原子具有足够大的震动能而使振幅增当某一原子具有足够大的震动能而使振幅增大到一定限度时，就可能克服周围原子对它大到一定限度时，就可能克服周围原子对它的制约作用，跳离其原来的位置，使点阵中的制约作用，跳离其原来的位置，使点阵中形成空结点，称为空位形成空结点，称为空位第十一页，共四十九页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： 一是迁移到晶体表面或内表面的正常结点位置上；使晶一是迁移到晶体表面或内表面的正常结点位置上；使晶体内部留下空位，称为体内部留下空位，称为SchottkySchottky空位；空位； 二是挤入点阵的间隙位置，在晶体中同时形成数目相等二是挤入点阵的间隙位置，在晶体中同时形成数目相等的空位和间隙原子，称为的空位和间隙原子，称为FrenkelFrenkel缺陷；缺陷； 三是跑到其他空位中，使空位消失或空位迁移；三是跑到其他空位中，使空位消失或空位迁移； 四是一定条件下，晶体表面的原子也可能跑到晶体内部的四是一定条件下，晶体表面的原子也可能跑到晶体内部的间隙位置形成间隙原子；间隙位置形成间隙原子； 对于高分子晶体除了上述的空位、间隙原子和杂质原子对于高分子晶体除了上述的空位、间隙原子和杂质原子等点缺陷外，还有其特有的点缺陷。

等点缺陷外，还有其特有的点缺陷第十二页，共四十九页 晶体中的原子正是由于空位和间隙原晶体中的原子正是由于空位和间隙原子不断地产生与复合才不停地由一处向另子不断地产生与复合才不停地由一处向另一处做无规则的布朗运动，这就是晶体中一处做无规则的布朗运动，这就是晶体中原子的自扩散，是固体相变、表面化学热原子的自扩散，是固体相变、表面化学热处理、蠕变、烧结等物理化学过程的基础处理、蠕变、烧结等物理化学过程的基础第十三页，共四十九页第十四页，共四十九页含义：含义： 又称一维缺陷，位错又称一维缺陷，位错(dislocation)(dislocation)指在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列所产生的缺陷，即缺陷尺寸在一维方向较长，列所产生的缺陷，即缺陷尺寸在一维方向较长，另外二维方向上很短如各种位错另外二维方向上很短如各种位错 线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性密线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性密切相关 线缺陷线缺陷第十五页，共四十九页第十六页，共四十九页位错位错第十七页，共四十九页从滑移的角度看，位错是滑移面上已滑移和未滑从滑移的角度看，位错是滑移面上已滑移和未滑移部分的交界，即晶体中某处有一列或若干列原移部分的交界，即晶体中某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象。

子发生有规律的错排现象晶体中的线缺陷是各种类型的位错，其特点是原晶体中的线缺陷是各种类型的位错，其特点是原子发生错排的范围，在一个方向上尺寸较大，而子发生错排的范围，在一个方向上尺寸较大，而在另外两个方向上尺寸较小，是一个直径约在在另外两个方向上尺寸较小，是一个直径约在3-53-5个原子间距、长几百到几万个原子间距的管状原子畸个原子间距、长几百到几万个原子间距的管状原子畸变区第十八页，共四十九页第十九页，共四十九页刃型位错线可理解为晶体中已滑移区与未滑移区的边刃型位错线可理解为晶体中已滑移区与未滑移区的边界线它可以是直线、折现或曲线，但必须与滑移方界线它可以是直线、折现或曲线，但必须与滑移方向垂直，也垂直于滑移矢量向垂直，也垂直于滑移矢量滑移面必定是同时包含有位错线和滑移矢量的平面，在其滑移面必定是同时包含有位错线和滑移矢量的平面，在其他面上不能滑移由于在刃型位错中，位错线和滑移矢量他面上不能滑移由于在刃型位错中，位错线和滑移矢量相互垂直，因此他们所构成的平面只有一个相互垂直，因此他们所构成的平面只有一个对于高分子晶体除了上述的空位、间隙原子和杂质对于高分子晶体除了上述的空位、间隙原子和杂质原子等点缺陷外，还有其特有的点缺陷原子等点缺陷外，还有其特有的点缺陷。

第二十页，共四十九页第二十一页，共四十九页 面缺陷面缺陷第二十二页，共四十九页 面缺陷又称为二维缺陷，是指在二维方向上偏面缺陷又称为二维缺陷，是指在二维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列而产生的缺陷离理想晶体中的周期性、规则性排列而产生的缺陷如晶界、堆积层错等如晶界、堆积层错等 面缺陷的取向及分布与材料的断裂韧性有面缺陷的取向及分布与材料的断裂韧性有关第二十三页，共四十九页 材料的表面是最显而易见的面缺陷材料的表面是最显而易见的面缺陷在垂直于表面方向上，平移对称性被破在垂直于表面方向上，平移对称性被破坏了 由于材料是通过表面与环境及其他由于材料是通过表面与环境及其他材料发生相互作用，所以表面的存在对材料发生相互作用，所以表面的存在对材料的物理性能有重要的影响材料的物理性能有重要的影响常见的氧化、腐蚀、磨损等自然现象都常见的氧化、腐蚀、磨损等自然现象都与表面状态有关与表面状态有关第二十四页，共四十九页 面缺陷晶界面缺陷晶界 第二十五页，共四十九页 晶界晶界: : 晶界是两相邻晶粒间的过渡界面由于相晶界是两相邻晶粒间的过渡界面由于相邻晶粒间彼此位向各不相同，故晶界处的原子排列邻晶粒间彼此位向各不相同，故晶界处的原子排列与晶内不同，它们因同时受到相邻两侧晶粒不同位与晶内不同，它们因同时受到相邻两侧晶粒不同位向的综合影响，而做无规则排列或近似于两者取向向的综合影响，而做无规则排列或近似于两者取向的折衷位置的排列，这就形成了晶体中的重要的面的折衷位置的排列，这就形成了晶体中的重要的面缺陷。

缺陷第二十六页，共四十九页第二十七页，共四十九页体缺陷体缺陷原子偏离周期排列的三维缺陷原子偏离周期排列的三维缺陷一般指材料中的空洞、夹杂物等，一般指材料中的空洞、夹杂物等，这种体缺陷对材料性能的影响一方面与它这种体缺陷对材料性能的影响一方面与它的几何尺寸的大小有关；的几何尺寸的大小有关；另一方面也与其数量、分布有关；另一方面也与其数量、分布有关；它们的存在常常是有害的它们的存在常常是有害的第二十八页，共四十九页按缺陷产生的原因分类按缺陷产生的原因分类热缺陷热缺陷杂质缺陷杂质缺陷非整比缺陷非整比缺陷晶体缺陷晶体缺陷电荷缺陷电荷缺陷第二十九页，共四十九页热缺陷热缺陷定义定义: :热缺陷亦称为本征缺陷，是指由热起伏的原因热缺陷亦称为本征缺陷，是指由热起伏的原因 所产生的空位或间隙质点（原子或离子）所产生的空位或间隙质点（原子或离子）类型类型: :弗仑克尔缺陷（弗仑克尔缺陷（Frenkel defectFrenkel defect）和肖特基缺陷）和肖特基缺陷 （Schottky defectSchottky defect）T T 原子脱离其平衡位置原子脱离其平衡位置 在原来位置上产生在原来位置上产生一个空位一个空位第三十页，共四十九页。

表面位置表面位置Frenkel 缺陷缺陷Schottky 缺陷缺陷 间隙位置间隙位置 第三十一页，共四十九页杂质缺陷杂质缺陷定义定义: :亦称为组成缺陷，是由外加杂质的引入所产生亦称为组成缺陷，是由外加杂质的引入所产生 的缺陷基质原子基质原子杂质原子杂质原子基质原子基质原子杂质原子杂质原子取代式取代式 间隙式间隙式 第三十二页，共四十九页非整比缺陷非整比缺陷 指组成上偏离化学中的定比定律所指组成上偏离化学中的定比定律所形成的缺陷它是由基质晶体与介质中的形成的缺陷它是由基质晶体与介质中的某些组分发生交换而产生如某些组分发生交换而产生如FeFe1 1x xO O、ZnZn1+x1+xO O等晶体中的缺陷等晶体中的缺陷第三十三页，共四十九页含义：含义：实际的化合物中，有一些化合物不实际的化合物中，有一些化合物不 符合定比定律，负离子与正离子的符合定比定律，负离子与正离子的 比例并不是一个简单的固定的比例比例并不是一个简单的固定的比例 关系，这些化合物称为非整比化合关系，这些化合物称为非整比化合 物（或非化学计量化合物）物（或非化学计量化合物）非整比缺陷非整比缺陷第三十四页，共四十九页非整比化合物的特点：非整比化合物的特点： 1 1）非整比化合物产生及缺陷浓度与气氛性质、）非整比化合物产生及缺陷浓度与气氛性质、 压力有关；压力有关； 2 2）可以看作是混合价态化合物；）可以看作是混合价态化合物； 3 3）非整比化合物都是半导体。

非整比化合物都是半导体 半导体材料分为两大类：一是掺杂半导体，半导体材料分为两大类：一是掺杂半导体， 如如SiSi中掺中掺P P为为n n型半导体；二是非整比化合物型半导体；二是非整比化合物 半导体，又分为。