固體物理4章晶體缺陷ppt課件

1、O返回本章主要內(nèi)容：本章主要內(nèi)容：1 1、教學內(nèi)容：、教學內(nèi)容： 點缺陷、面缺陷、體缺陷的產(chǎn)生及擴散。點缺陷、面缺陷、體缺陷的產(chǎn)生及擴散。2 2、基本要求：、基本要求： 掌握點缺陷；位錯；面缺陷與體缺陷；缺陷的掌握點缺陷；位錯；面缺陷與體缺陷；缺陷的擴散等。擴散等。 O返回完美晶體完美晶體組成晶體的所有原子或離子都排列在晶格中，沒組成晶體的所有原子或離子都排列在晶格中，沒有晶格空位，也沒有間隙原子或離子。其特征：有晶格空位，也沒有間隙原子或離子。其特征：1、晶格中的原子或離子都是化學分子式中的原子或離子，沒、晶格中的原子或離子都是化學分子式中的原子或離子，沒有外來的雜質；有外來的雜質；2、晶體

2、的原子之比符合化學計量比。、晶體的原子之比符合化學計量比。實際晶體：與理想晶體有一些差異。如景象）：實際晶體：與理想晶體有一些差異。如景象）：1、處于晶體表面的原子或離子與體內(nèi)的差異；、處于晶體表面的原子或離子與體內(nèi)的差異；2、晶體在形成時，常因一些部位同時成核生長，結果形成的、晶體在形成時，常因一些部位同時成核生長，結果形成的不是單晶而是許多細小晶粒按不規(guī)則排列組合起來的多晶體；不是單晶而是許多細小晶粒按不規(guī)則排列組合起來的多晶體；3、在外界因素的作用下，原子或離子脫離平衡位置如點缺、在外界因素的作用下，原子或離子脫離平衡位置如點缺陷和雜質原子的引入等。陷和雜質原子的引入等。 O返回1 有三

3、個點缺陷的規(guī)則堆積陣2 點和線缺陷3 被缺陷界面分開的疇界沒有孿晶4 位錯群5 相界O返回 晶體缺陷的存在，破壞了完美晶體的有序性，引起晶體內(nèi)能U和熵S的增加。 按缺陷在空間的幾何構型可將缺陷分為： 點缺陷缺陷的延伸范圍是零維 線缺陷一維 面缺陷二維 體缺陷三維 每一類缺陷都會對晶體的性能產(chǎn)生很大影響，例如： 點缺陷影響晶體的電學、光學和機械性能； 線缺陷嚴重影響晶體的強度、電性能等。O返回 點缺陷是晶體中以空位、間隙原子、雜質原子點缺陷是晶體中以空位、間隙原子、雜質原子為中心，在一個或幾個原子尺寸范圍的微觀區(qū)為中心，在一個或幾個原子尺寸范圍的微觀區(qū)域內(nèi)，晶格結構偏離嚴格周期性而形成的畸變域內(nèi)

4、，晶格結構偏離嚴格周期性而形成的畸變區(qū)域。它是由晶體的熱振動而產(chǎn)生。區(qū)域。它是由晶體的熱振動而產(chǎn)生。 點缺陷是晶體中最簡單、最常見或者說一定存點缺陷是晶體中最簡單、最常見或者說一定存在的缺陷形式。在的缺陷形式。 點缺陷：在三維空間各方向上尺寸都很小，是點缺陷：在三維空間各方向上尺寸都很小，是在原子尺寸大小的晶體缺陷。在原子尺寸大小的晶體缺陷。O返回空位在晶格結點位置應有原子的地方空缺，這種缺陷稱為“空位”。 間隙原子在晶格非結點位置，往往是晶格的間隙，出現(xiàn)了多余的原子。它們可能是同類原子，也可能是異類原子。 異類原子在一種類型的原子組成的晶格中，不同種類的原子替換原有的原子占有其應有的位置。一

5、、點缺陷的類型和形成能（一點缺陷的類型（一點缺陷的類型O返回（1肖脫基Schottky缺陷 特征：晶體中存在著晶格空位。 形成原因：這種空位是晶體內(nèi)部格點上的原子或離子通過接力運動移到表面格點位置后在晶體內(nèi)所留下的空位，如圖4-1b。 定義：只形成空位不形成間隙原子構成新的晶面的晶體空位稱為肖脫基缺陷。（二點缺陷的形成和形成能留意：1、負離子不能到間隙2、要求局部電中性O返回 （2費倫克爾Frenkel缺陷 特征：原子離開平衡位置進入間隙，形成等量的空位和間隙原子。 形成原因：如果晶體內(nèi)部格點上的原子或離子移到晶格間隙位置形成間隙原子，同時在原來的格點位置上留下空位，于是晶體中將存在等濃度的晶

6、格空位和填隙原子，如圖a。 定義：將空位-間隙原子對稱為費侖克爾缺陷。 （3間隙原子缺陷(或稱反肖脫基缺陷 ) 特征：它是晶體表面格點原子運動到晶體的間隙位置，如圖c。形成填隙缺陷需要更大的能量，除小半徑雜質原子外，一般不易單獨形成此種缺陷。 小結：形成填隙原子時，原子擠入間隙位置所需要的能量比產(chǎn)生肖特基空位所需能量大，因此當溫度不太高時，肖特基缺陷的數(shù)目要比弗侖克爾缺陷的數(shù)目大得多。O返回點缺陷類型示意圖(a)Frenkel缺陷； (b) Schottky缺陷； (c)反Schottky缺陷 O返回定義：定義： 空位的形成能是在晶體內(nèi)的格點上取出一個原空位的形成能是在晶體內(nèi)的格點上取出一個原

7、子放到晶體表面所需要的能量。子放到晶體表面所需要的能量。討論：討論：（a結合能越大，熔點越高，則空位的形成能結合能越大，熔點越高，則空位的形成能越大。越大。（b一般化合物晶體中的點缺陷是空位，因為一般化合物晶體中的點缺陷是空位，因為形成間隙形成間隙 原子所需的能量比形成空位的高。原子所需的能量比形成空位的高。（c一般共價半徑大的原子具有較大的空位形一般共價半徑大的原子具有較大的空位形成能。成能。O返回 Kroger-Vink1960年前后提出了一套描寫點缺陷的記號，并發(fā)展了應用質量作用定律等來處理晶格缺陷間關系的缺陷化學。以MO氧化物為例： 空位 （Vacancy） VM，VO 間隙原子（ I

8、nterstitial） Mi，Oi 錯位原子 MO，OM 溶質原子外來原子LM，Li 自由電子及電子空穴 e,，h 帶電荷的缺陷 VM,，VO 缺陷方程三原則： 質量守恒, 電荷平衡, 正負離子格點成比例增減。如： 肖特基缺陷生成：0VM,+ VO 弗侖克爾缺陷生成： 0VM,+ Mi O返回 定義：色心是一種非化學計量比引起的空位缺陷。 特征：該空位能夠吸收可見光使原來透明的晶體出現(xiàn)顏色，因而稱它們?yōu)樯?最簡單的色心是F心(來自德語Farbe”,顏色)。 F心：是離子晶體中的一個負離子空位束縛一個電子構成的點缺陷。 形成過程：是堿鹵晶體在相應的過量堿金屬蒸汽中加熱，例如：NaCl晶體在N

9、a蒸汽中加熱后呈黃色；KCl晶體在K蒸汽中加熱后呈紫色；LiF在Li蒸汽中加熱后呈粉紅色。二、色心O返回 V心：與F心相對的色心，又稱空穴色心。是離子晶體的負電中心束縛一個帶正電的“空穴所組成的點缺陷。 形成過程：當堿鹵晶體在過量的鹵素蒸汽中加熱后，由于大量的鹵素進入晶體，為保持電中性，在晶體中出現(xiàn)了正離子空位,形成負電中心。這種負電中心可以束縛一個帶正電的“空穴所組成的體系稱為V心。 V心和F心在結構上是堿鹵晶體中兩種最簡單的缺陷。在有色心存在的晶體中，A、B兩種元素的比例已偏離嚴格的化學計量比。所以色心也是一種非化學計量引起的缺陷。 F心的著色原理：在于加熱過程中過量的堿金屬原子進入晶心的

10、著色原理：在于加熱過程中過量的堿金屬原子進入晶體占據(jù)堿金屬格點位置。晶體為保持電中性，會產(chǎn)生相應數(shù)體占據(jù)堿金屬格點位置。晶體為保持電中性，會產(chǎn)生相應數(shù)目的負離子空位。同時，處于格點的堿金屬原子被電離，失目的負離子空位。同時，處于格點的堿金屬原子被電離，失去的電子被帶正電的負離子空位所束縛，從而在空位附近形去的電子被帶正電的負離子空位所束縛，從而在空位附近形成成F心，如圖心，如圖4-3，F(xiàn)心可以看成是束縛在負離子空位處的一種心可以看成是束縛在負離子空位處的一種“電子陷阱電子陷阱”。 O返回 實際晶體中存在某些微量雜質。雜質來源： 一方面是晶體生長過程中引入的，如O、N、C等，這些是實際晶體不可避

11、免的雜質缺陷，只能控制相對含量的大小； 另一方面是有目的地向晶體中摻入的一些微量雜質，例如在單晶硅中摻入微量的B、Pb、Ga、In、P、As等可以使晶體的導電性能發(fā)生很大變化。 當晶體存在雜質原子時，晶體的內(nèi)能會增加，由于少量的雜質可以分布在數(shù)量很大的格點或間隙位置上，使晶體組態(tài)熵混合熵的變化也很大。因此溫度T下，雜質原子的存在也可能使自由能降低。 (F U-T S)三、雜質原子O返回 當雜質原子取代基質原子占據(jù)規(guī)則的格點位置時，形成替位式雜質，如圖a；若雜質原子占據(jù)間隙位置，形成間隙式雜質，如圖b。O返回 對一定晶體，雜質原子是形成替位式雜質還是間隙式雜質，主要取決于雜質原子與基質原子幾何尺

12、寸的的相對大小及其電負性。 （1雜質原子比基質原子小得多時，形成間隙式雜質。 因為替位式雜質占據(jù)格點位置后，會引起周圍晶格畸變，畸變區(qū)域一般不大，畸變引起的內(nèi)能增加也不大；若雜質占據(jù)間隙位置，由于間隙空間有限，由此引起的畸變區(qū)域比替位式大，因而使晶體的內(nèi)能增加較大。 所以只有半徑較小的雜質原子才能進入敞開型結構的間隙位置中。例如：金屬晶體結構的密堆積形式?jīng)Q定了間隙空間的有限，這類晶體只有象H、C這樣小的原子才能進入間隙位置。許多金屬氧化物晶體中，只有象Li+這樣的雜質離子才能形成間隙缺陷。即使這樣，間隙雜質也還會引起明顯的晶格結構的畸變。這種畸變以及基質原子和雜質原子之間的化學差異，通常會影響

13、雜質原子的溶解度。 討論：O返回 （2替位式雜質在晶體中的溶解度也決定于原子的幾何尺寸和化學因素。 如果雜質和基質具有相近的原子尺寸和電負性，可以有較大的溶解度。但也只有在二者化學性質相近的情況下，才能得到高的固溶度。 （3元素半導體、氧化物及化合物半導體晶體中的替位式雜質，通常引起并存的電子缺陷，從而明顯的改變材料的導電性。 例如： Si晶體中含有五價P時，由于金剛石結構四面體鍵僅需4個電子，所以每個P多了一個電子； 如果Si晶體中含有三價In原子時，由于共價鍵中缺少一個電子而形成電子空位即空穴。 這種摻雜的Si晶體都因雜質原子的存在而是電導率有很大提高。O返回P多一個電子 In少一個電子-

14、電子空位 施主雜質n型雜質） 受主雜質p型雜質）補充：半導體中的雜質和缺陷能級族元素半導體中雜質主要是替位式雜質。O返回禁帶寬度導帶底價帶頂O返回O返回注：施主雜質若與受主雜質濃度相當注：施主雜質若與受主雜質濃度相當不能提供載流子不能提供載流子 雜質的高度補償雜質的高度補償材料電學性能差，不能使用材料電學性能差，不能使用O返回 結構畸變：無論那種點缺陷的存在，都會使其附近的原子結構畸變：無論那種點缺陷的存在，都會使其附近的原子稍微偏離原結點位置才能平衡，即造成小區(qū)域的晶格畸變。稍微偏離原結點位置才能平衡，即造成小區(qū)域的晶格畸變。 點缺陷對材料性能的影響：點缺陷對材料性能的影響：（1提高材料的電

15、阻提高材料的電阻定向流動的電子在點缺陷處受到非定向流動的電子在點缺陷處受到非平衡力平衡力(圈套圈套)，增加了阻力，局部加速運動提高了局部溫，增加了阻力，局部加速運動提高了局部溫度度(發(fā)熱發(fā)熱)。 （2加快原子的擴散遷移加快原子的擴散遷移空位可作為原子運動的周轉站?？瘴豢勺鳛樵舆\動的周轉站。 （3形成其他晶體缺陷形成其他晶體缺陷過飽和的空位可集中形成內(nèi)部的過飽和的空位可集中形成內(nèi)部的空洞，集中一片的塌陷形成位錯。空洞，集中一片的塌陷形成位錯。 （4改變材料的力學性能改變材料的力學性能空位移動到位錯處可造成刃位空位移動到位錯處可造成刃位錯的攀移，間隙原子和異類原子的存在會增加位錯的運動錯的攀移，

16、間隙原子和異類原子的存在會增加位錯的運動阻力。會使強度提高，塑性下降。阻力。會使強度提高，塑性下降。O返回 線缺陷線缺陷晶體內(nèi)部偏離周期性點陣結構的一維缺陷。晶體內(nèi)部偏離周期性點陣結構的一維缺陷。 晶體中最重要的一種線缺陷是位錯。位錯在晶體的范性晶體中最重要的一種線缺陷是位錯。位錯在晶體的范性與強度、斷裂、相變以及其他結構敏感性問題中起著重要作與強度、斷裂、相變以及其他結構敏感性問題中起著重要作用。用。 位錯位錯在三維空間的一個方向上的尺寸很大在三維空間的一個方向上的尺寸很大( (晶粒數(shù)量級晶粒數(shù)量級) )，另外兩個方向上的尺寸很小，另外兩個方向上的尺寸很小( (原子尺寸大小原子尺寸大小) )

17、的晶體缺陷。的晶體缺陷。 一、位錯的基本類型一、位錯的基本類型 位錯是晶體結構中的一種缺陷，也可以說是原子位錯是晶體結構中的一種缺陷，也可以說是原子排列的一種特殊組態(tài)。位錯最簡單、最基本的類型是排列的一種特殊組態(tài)。位錯最簡單、最基本的類型是“刃位刃位錯和錯和“螺位錯螺位錯”。4-2 線缺陷位錯Dislocation ）O返回 將晶體的上半部分向右移動一個原子間距，再按原子的結合方式連接起來(見b圖)。除分界線附近的一管形區(qū)域例外，其他部分基本都是完好的晶體。在分界線的上方將多出半個原子面HEFG），這就是刃型位錯。O返回 若將晶體的上半部分向后移動一個原子間距，再按原子的結合方式連接起來，同樣

18、除分界線附近的一管形區(qū)域例外，其他部分基本也都是完好的晶體。而在分界線的區(qū)域形成一螺旋面，這就是螺型位錯。 O返回1、是滑移區(qū)與未滑移區(qū)的分界線；2、位錯線附近原子排列失去周期性；3、位錯線附近原子受應力作用強，能量高；4、位錯不是熱運動的結果；5、位錯線的幾何形狀可能很復雜，可能在體內(nèi)形成閉合線，可能在晶體表面露頭，不可能在體內(nèi)中斷。O返回 刃型位錯的特點是位錯線垂直于滑移矢量b； 螺型位錯的特點是位錯線平行于滑移矢量b。 滑移矢量b又稱為伯格斯Burgers矢量 （簡稱伯氏矢量）， 它的模等于滑移方向上的平衡原子間距， 它的方向代表滑移方向。 位錯的特點：O返回 確定方法：確定方法： 首先

19、在原子排列基本正常區(qū)域作一個包首先在原子排列基本正常區(qū)域作一個包含位錯的回路，也稱為柏氏回路，這個回路包含了含位錯的回路，也稱為柏氏回路，這個回路包含了位錯發(fā)生的畸變。然后將同樣大小的回路置于理想位錯發(fā)生的畸變。然后將同樣大小的回路置于理想晶體中，回路當然不可能封閉，需要一個額外的矢晶體中，回路當然不可能封閉，需要一個額外的矢量連接才能封閉，這個矢量就稱為該位錯的柏氏量連接才能封閉，這個矢量就稱為該位錯的柏氏(Burgers)矢量。矢量。 O返回 刃型位錯刃型位錯 柏氏矢量與位錯線相互垂直。柏氏矢量與位錯線相互垂直。(依方向關依方向關系可分正刃和負刃型位錯系可分正刃和負刃型位錯) 螺型位錯螺型

20、位錯 柏氏矢量與位錯線相互平行。柏氏矢量與位錯線相互平行。(依方向關依方向關系可分左螺和右螺型位錯系可分左螺和右螺型位錯) 混合位錯混合位錯 柏氏矢量與位錯線的夾角非柏氏矢量與位錯線的夾角非0或或90度。度。柏氏矢量守恒：柏氏矢量守恒：同一位錯的柏氏矢量與柏氏回路的大小和走向無關。位錯不可能終止于晶體的內(nèi)部，只能到表面、晶界和其他位錯，在位錯網(wǎng)的交匯點，必然 O返回 混合型位錯位錯線與滑移矢量既不平行又不垂直，如右圖。 E處位錯線與滑移矢量平行，是純螺型位錯， F處位錯線與滑移矢量垂直，是純?nèi)行臀诲e。 其他位錯線與滑移矢量既不平行又不垂直，屬混合型位錯。 混合位錯的原子排列介于刃型位錯和螺型位

21、錯之間，可以分解為刃型位錯和螺型位錯 。O返回 晶體中的位錯在有條件時總是要從高能位置轉移到低能位置而發(fā)生運動。 1.位錯的滑移 在圖4-12中，對含有刃型位錯的晶體加平行于伯氏矢量的切應力，位錯線周圍的原子只要移動很小的距離，位錯線便從位置A移動到位置A。如果應力繼續(xù)作用，位錯線將繼續(xù)向右運動，直至移出晶體所在表面形成臺階。顯然，位錯運動只需逐排克服原子間的結合力，因而使位錯滑移所需要的臨界切應力小得多，接近于實際測量值?；泼妫哼^位錯線并和柏氏矢量平行的平面滑移面：過位錯線并和柏氏矢量平行的平面( (晶面晶面) )是該位錯的滑移面。是該位錯的滑移面。位錯面O返回 雖然位錯滑移一個原子間距時

22、每個原子只移動很小的距離，但在位錯掃過的區(qū)域積累起接近于b的相對位移。當位錯達到晶體表面后，整個晶體滑移面移動一個伯氏矢量，在晶體表面產(chǎn)生高度為b的臺階，如圖4-13。若有n個伯氏矢量相同的位錯掃過，會在晶體表面產(chǎn)生nb高的臺階，形成顯微鏡下可以看到的滑移線?？梢姡诲e的滑移運動造成了晶體的范性形變，宏觀觀察到的滑移面即是晶體中位錯的滑移面，滑移方向即是位錯伯氏矢量方向。O返回 攀移攀移刃型位錯在垂直于滑移方向上的運動。刃型位錯在垂直于滑移方向上的運動。 本質本質是多余半晶面的伸長或縮短；是空位或間隙原子是多余半晶面的伸長或縮短；是空位或間隙原子 的擴散過程。的擴散過程。 在圖中，當位錯刃部的

23、空位擴散離開多余的半原子面在圖中，當位錯刃部的空位擴散離開多余的半原子面實際是格點原子或間隙原子擴散到位錯線附近時，多余實際是格點原子或間隙原子擴散到位錯線附近時，多余半晶面伸長，位錯向下攀移，稱為負攀移；反之，若空位半晶面伸長，位錯向下攀移，稱為負攀移；反之，若空位擴散到位錯線附近，半原子面縮短，位錯向上攀移，稱為擴散到位錯線附近，半原子面縮短，位錯向上攀移，稱為正攀移。正攀移。2.位錯的攀移負攀移多余半晶面位錯線O返回 （a使位錯發(fā)生攀移運動的力為攀移力，它包括兩部分：使位錯發(fā)生攀移運動的力為攀移力，它包括兩部分： 化學攀移力化學攀移力不平衡空位濃度施給錯位攀移的驅動力；不平衡空位濃度施給

24、錯位攀移的驅動力； 彈性攀移力彈性攀移力垂直于多余半晶面，刃位錯受到的力。垂直于多余半晶面，刃位錯受到的力。 （b螺位錯的伯氏矢量平行于位錯線，沒有多余的半晶面，螺位錯的伯氏矢量平行于位錯線，沒有多余的半晶面，因而螺位錯沒有攀移運動。因而螺位錯沒有攀移運動。 （c因為位錯線和柏氏矢量平行，所以螺型位錯可以有多個因為位錯線和柏氏矢量平行，所以螺型位錯可以有多個滑移面，螺型位錯無論在那個方向移動都是滑移。滑移面，螺型位錯無論在那個方向移動都是滑移。 （d晶體兩部分的相對移動量決定于柏氏矢量的大小和方向晶體兩部分的相對移動量決定于柏氏矢量的大小和方向，與位錯線的移動方向無關。，與位錯線的移動方向無關

25、。 O返回景象：位錯在晶體表面的露頭拋光后的試樣在侵蝕時，易侵蝕而出現(xiàn)侵蝕坑。特點：是坑為規(guī)則的多邊型，且排列有一定規(guī)律。前提：只能在晶粒較大，位錯較少時才有明顯效果。 薄膜透射電鏡觀察將試樣減薄到幾十到數(shù)百個原子層(500nm以下)，利用透射電鏡進行觀察，可見到位錯線。 O返回 （1位錯是熱力學上不穩(wěn)定的線缺陷，而且具有一定的寬度。 （2半徑比主晶格原子大的替位雜質傾向于在伸長變形區(qū)聚焦，而半徑較小的則傾向于在壓縮變形區(qū)聚焦?？梢娢诲e線類似于一根高能“管道”，它是晶體內(nèi)空位的“源和“漏”。 （3位錯向下攀移形成空位源，它向體內(nèi)釋放空位；位錯向上攀移形成空位漏，它將聚集體內(nèi)的空位。晶體在升降溫

26、過程中，體內(nèi)的平衡空位數(shù)或其它缺陷的濃度的變化也是通過位錯攀移運動來實現(xiàn)。 （4在這根高能管道內(nèi)及其附近，由于晶格畸變有較大的應力集中，在晶體內(nèi)形成應力場，位錯線附近原子的能量高于正常格點上原子的能量，所以管道內(nèi)及其附近的原子容易被雜質原子替代，形成復雜的電荷中心，且易被腐蝕。 （5對于共價晶體，正常格點位置上的原子與近鄰原子形成飽和共價鍵，而在位錯線上的原子共價鍵是不飽和的，即存在所謂的“懸掛鍵”。懸掛鍵可以通過向晶體釋放電子或從晶體中接受電子對晶體的電學性質產(chǎn)生影響。四. 位錯與晶體性質的關系O返回 定義： 面缺陷為晶體內(nèi)偏離周期性點陣結構的二維缺陷，主要有層錯、小角晶界、晶粒間界、相界等

27、。 體缺陷為晶體內(nèi)部偏離周期性點陣結構的三維缺陷，主要有包裹體、空洞、夾雜物，第二相團等。 一、層錯 層錯是在密排晶體中原子面的堆垛順序出現(xiàn)反常所造成的面缺陷。前面討論晶體的密堆積方式時得到： （1fcc晶體在平行于111面的原子排列順序是ABCABCABC。 （2hcp晶體在平行于0001面的原子排列順序是ABABAB。4-3 面缺陷與體缺陷O返回 若由力學因素如變形或熱力學因素加熱或冷卻使堆垛順序發(fā)生局部變化，形成如下幾種新結構：（1外層錯：插入一密排層，構成 ABCAB(A)CABC。（2內(nèi)層錯：抽去一密排層，構成 ABCABCBCABC。（3孿生：對稱密排層，構成 ABCABCABCA

28、CBACBA的排列。O返回 這些堆錯了的新結構，相當于在面心立方晶體中形成了薄層的hcp六角密堆晶體，也稱為堆垛層錯。 這些層錯對晶體的影響，僅在于層錯面兩側的晶體結構，相應于理想情況作了一個特定的非點陣相對平移，這種平移在密堆積結構中并不改變原子最近鄰的關系，只產(chǎn)生次近鄰的錯排，而且?guī)缀醪划a(chǎn)生畸變，所以是一種低能量的面缺陷。 除密堆積結構外，其它類型的晶體也可能出現(xiàn)層錯，如：金剛石結構和閃鋅礦結構的111面在外延生長過程中，將會出現(xiàn)層錯P124，圖4-15，Si晶體層錯）。 O返回二、 固體從蒸汽、溶液或熔體中結晶出來時，只有在一定條件下，例如有籽晶存在時，才能形成單晶，而大多數(shù)固體屬于多晶

29、體。多晶是由許多小晶粒組成。這些小晶粒本身可以近似看作單晶，且在多晶體內(nèi)做雜亂排列。 多晶體中晶粒與晶粒的交界區(qū)域稱為晶粒間界，它就是空間取向(或位向)不同的相鄰晶粒之間的分界面。 二、晶粒間界或稱晶界）O返回 晶粒間界的實驗結構模型：（見124頁圖4-17） （1晶界區(qū)含有不屬于任何晶粒的原子A； （2含有同屬于兩個晶粒的原子D； （3含有晶格受壓縮的區(qū)域B； （4含有晶格疏松的區(qū)域C； （5有晶格基本不變的區(qū)域D。 晶界上的原子都處于畸變狀態(tài)，具有較高的能量，而且具有非晶態(tài)特性： （1雜質原子傾向于在晶界上偏聚和析出； （2化學腐蝕或蝕刻現(xiàn)象也首先在晶界上發(fā)生； （3原子也較容易沿著結構較

30、疏松的晶粒間界擴散，并且在間界內(nèi)容易產(chǎn)生新固相。 晶界對材料力學性質的影響： （1對共價鍵陶瓷，畸變了的晶界點陣排列使晶界能較高，導致剪切開裂，常出現(xiàn)沿晶界斷裂。 （2對離子鍵陶瓷，往往具有穿晶為主的斷裂特征，晶界有阻礙裂紋擴散的作用。O返回 （1當取向差小于10時，晶界稱為小角晶界；最簡單的小角晶界是對稱傾斜晶界 。右圖是簡單立方結構晶體中界面為100面的傾斜晶界，相當于一系列平行的、伯氏矢量在100方向上的刃型位錯線。 （2當取向大于10時晶界稱為大角度晶界。 （3實際的多晶材料一般都是大角度晶界，但晶粒內(nèi)部的亞晶界則是小角晶界。 晶界結構和性質與相鄰晶粒的取向差有關：（4相鄰位錯間的距離

31、D與傾角和伯氏矢量的模b的關系：bbD)2sin(2實驗：用XRD可測定取向夾角，用金相蝕坑法測定位錯露頭間距。bO返回 特征：特征： （1晶界兩側的晶粒位晶界兩側的晶粒位向差很小，可看成是一向差很小，可看成是一系列刃位錯排列成墻。系列刃位錯排列成墻。 （2晶界中位錯排列愈晶界中位錯排列愈密，則位向差愈大。密，則位向差愈大。 （3小角晶界具有阻止原子擴散的作用。 實驗表明：沿著垂直于一個小角晶界中的位錯擴散，要比平行于位錯的擴散慢的多。并且通過晶界的擴散，能控制晶體中某些沉淀反應的速率。O返回 特征：特征： 晶界兩側的晶粒位向差較晶界兩側的晶粒位向差較大，不能用位錯模型。大，不能用位錯模型。

32、關于大角度晶界的結構說關于大角度晶界的結構說法不一，晶界可視為法不一，晶界可視為23(5)個原子的過渡層，這個原子的過渡層，這部分的原子排列盡管有其部分的原子排列盡管有其規(guī)律，但排列復雜，暫以規(guī)律，但排列復雜，暫以相對無序來理解。相對無序來理解。O返回 1、相：在物理化學中已有了明確的解釋。它是指成分相、相：在物理化學中已有了明確的解釋。它是指成分相同、同、(晶體晶體)結構相同、有界面和其它部分分開的物質的結構相同、有界面和其它部分分開的物質的均勻組成部分。均勻組成部分。 2、相界面：兩種不同相的分界面。液體的表面是液相和、相界面：兩種不同相的分界面。液體的表面是液相和氣相的分界面；晶體的表面

33、是晶體和氣相氣相的分界面；晶體的表面是晶體和氣相(或液相或液相)的分的分界面；兩個不同的固相之間的分界面也是相界面，在我界面；兩個不同的固相之間的分界面也是相界面，在我們的課程中主要是指后者。們的課程中主要是指后者。 3、相界面的主要特性：相界面的結構和晶界有一定的共、相界面的主要特性：相界面的結構和晶界有一定的共性，也有一些明顯的差別。性，也有一些明顯的差別。 （1非共格界面類似大角度晶界，非共格界面類似大角度晶界， （2完全共格是困難的，共格面兩邊微少的差別可以用完全共格是困難的，共格面兩邊微少的差別可以用晶格的畸變來調整，界面兩邊差別不十分大時，將可以晶格的畸變來調整，界面兩邊差別不十分

34、大時，將可以補充一定的位錯來協(xié)調，組成半共格界面。補充一定的位錯來協(xié)調，組成半共格界面。 無論那種情況，界面都存在自己的界面能，都將對材料無論那種情況，界面都存在自己的界面能，都將對材料的結構形貌的結構形貌(組織組織)帶來明顯的影響。帶來明顯的影響。O返回 定義：晶界面上的原子相對正常晶體內(nèi)部的原子定義：晶界面上的原子相對正常晶體內(nèi)部的原子而言，均處于較高的能量狀態(tài)，其能量差即為界而言，均處于較高的能量狀態(tài)，其能量差即為界面能。面能。 界面能與結構的關系：界面能與結構的關系： O返回 在材料的研究中，發(fā)現(xiàn)少量雜質或合金元素在在材料的研究中，發(fā)現(xiàn)少量雜質或合金元素在晶體內(nèi)部的分布也是不均勻的，它

35、們常偏聚于晶體內(nèi)部的分布也是不均勻的，它們常偏聚于晶界，稱這種現(xiàn)象為晶界內(nèi)吸附。晶界，稱這種現(xiàn)象為晶界內(nèi)吸附。 產(chǎn)生的原因可參見位錯與點缺陷的作用，一般產(chǎn)生的原因可參見位錯與點缺陷的作用，一般雜質原子與晶體的尺寸或性質差別愈大，這種雜質原子與晶體的尺寸或性質差別愈大，這種偏聚愈嚴重。偏聚愈嚴重。 雜質原子在晶界的偏聚對晶體的性能產(chǎn)生重要雜質原子在晶界的偏聚對晶體的性能產(chǎn)生重要的影響，具體的影響可參考材料性能部分文獻的影響，具體的影響可參考材料性能部分文獻。 O返回 包裹體是晶體生長過程中界面所捕獲的夾雜物。它是一種嚴重包裹體是晶體生長過程中界面所捕獲的夾雜物。它是一種嚴重影響晶體性質的體缺陷。

36、影響晶體性質的體缺陷。 產(chǎn)生的原因：產(chǎn)生的原因： 1、可能是晶體原料中某一過量組分形成的固體顆粒，、可能是晶體原料中某一過量組分形成的固體顆粒， 2、也可能是晶體生產(chǎn)過程中坩堝材料帶入的雜質微粒。、也可能是晶體生產(chǎn)過程中坩堝材料帶入的雜質微粒。 對材料性質的影響：對材料性質的影響： 1、如造成光散射，或吸收強光引起發(fā)熱從而影響晶體的強度。、如造成光散射，或吸收強光引起發(fā)熱從而影響晶體的強度。 2、由于包裹體的熱膨脹系數(shù)一般與晶體不同，在單晶體生長的、由于包裹體的熱膨脹系數(shù)一般與晶體不同，在單晶體生長的冷卻過程中會產(chǎn)生體內(nèi)應力，造成大量位錯的形成。冷卻過程中會產(chǎn)生體內(nèi)應力，造成大量位錯的形成。四

37、、體缺陷O返回 晶體中原子擴散的實質：晶體中原子擴散的實質： 晶體中的擴散是原子在晶體中的布朗運動。這種過程是晶體中的擴散是原子在晶體中的布朗運動。這種過程是隨機的，但若存在濃度梯度，這種過程是定向的，其結果是隨機的，但若存在濃度梯度，這種過程是定向的，其結果是導致原子從高濃度向低濃度的定向擴散流動。晶體的許多性導致原子從高濃度向低濃度的定向擴散流動。晶體的許多性質及物理現(xiàn)象都與擴散過程有關。質及物理現(xiàn)象都與擴散過程有關。 晶體中的擴散類型：晶體中的擴散類型： 一類是外來雜質原子在晶體中的擴散，稱為雜質原子擴散；一類是外來雜質原子在晶體中的擴散，稱為雜質原子擴散； 一類是基質原子在基體中的擴散

38、，成為自擴散。一類是基質原子在基體中的擴散，成為自擴散。 擴散的前提條件：擴散的前提條件： 擴散是通過點缺陷的運動來實現(xiàn)的，因此晶體中點缺陷的擴散是通過點缺陷的運動來實現(xiàn)的，因此晶體中點缺陷的存在是實現(xiàn)擴散的前提條件。存在是實現(xiàn)擴散的前提條件。 4-4 晶體中的擴散O返回 1. 費克Fick方程 實驗： 資料：兩塊不同的材料， 條件： （1適當?shù)耐嘶饻囟龋?（2退火時間足夠長。 景象： 由于擴散，晶體內(nèi)部便會發(fā)生物質的流動，結果導致濃度梯度降低，變成成分均勻的材料，物質的凈流也就停止。O返回 擴散可以分為穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)考慮時間因素）。 在穩(wěn)態(tài)擴散中，擴散流通量J 是不隨時間變化的； 在非穩(wěn)態(tài)擴散

39、中，擴散流通量J是隨時間變化的。 實驗表明：如果晶體中某種擴散原子的濃度為C(x,y,z,t)，則在穩(wěn)態(tài)擴散中，擴散流通量J正比于擴散原子的濃度梯度 ，這個關系稱為費克第一定律，數(shù)學表達式為: 式中： 負號表示擴散原子是從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域擴散； D稱為擴散系數(shù)，其值與材料性質及溫度密切相關； C是體積濃度，即單位體積中擴散原子的重量或擴散原子的個數(shù)。 J是擴散流通量，單位是kg/m2s或個/m2s。CCDJ（425）擴散方程的推導：O返回在一維情況下，考慮兩個垂直x軸、相距dx的單位面。通過平面1的通流量為通過平面2的通流量為xCDJ111xCDJ222dxxCCC12（41）穩(wěn)態(tài)擴散模

40、型：O返回 兩式相減，并除以dx得到： 是在單位時間內(nèi)、第一平面和第二平面之間單位體積內(nèi)擴散物質總量的變化，由擴散的連續(xù)性，它等于這兩個平面間濃度變化率的負值 ，于是有 dxxCDxxCDdxxJJJ)(1112)(xCDxxJxJ)(tC)(xCDxtC（42）（4-26）O返回 上式便是在一維情況下的費克第二定律。如果該式中的擴散系數(shù)D與向x無關，費克第二定律又可表示為： （4-27） 考慮三維空間的擴散，在各向異性的介質中，如果三個方向的擴散系數(shù)不同，則上式可以寫成： （4-28）22xCDtCzCDyCDxCDtCzyx222O返回 （4-26式也可作如下推導：由連續(xù)性方程設D是常數(shù)，

41、即與位置、濃度無關） CDCDJtC2)(一維情況下xCDtC2O返回 僅討論在一維情況下，且D與C無關時，穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)的兩種解。（1穩(wěn)態(tài)擴散 如果樣品的一邊保持比較高的氣壓，而另一邊的氣壓比較低，經(jīng)過足夠長的時間后，擴散可以達到穩(wěn)定狀態(tài)，即單位時間內(nèi)，從高壓方向進入樣品的氣體量等于從低壓方向離開的量，并不隨時間改變。O返回這時擴散進入樣品內(nèi)部各點的氣體濃度也將和時間無關，即式4-27費克第二定律中并得到 （4-30） 如果厚度為d 的晶體薄片與x軸垂直,邊界條件成為： x0處， C=C0; xd處， C=Cd;0tC022xCO返回且 ，解4-30式得到 （4-31） 這便是在穩(wěn)態(tài)情況下晶體

42、薄片中任意點處的濃度。 （2非穩(wěn)態(tài)擴散：常采用兩種邊界條件。 （a恒定源擴散 具有一定數(shù)量的原子Q，由晶體表面向內(nèi)部擴散，在t = 0 時有： x=0，C0 = Q x0，C(x) = 00CCd00)(CxdCCxCdO返回當t 0 時，由晶體表面擴散到內(nèi)部的原子總數(shù)為Q，即 。在此邊界條件下解式4-27得 （4-32） （b恒定表面濃度的擴散在擴散過程中，晶體表面的擴散原子濃度C0 保持不變，其邊界條件可以表示成 J據(jù)此邊界條件，解式4-27得 0 x0)(QdxxCDtxeDtQtxC42),(0)0 ,(00), 0(000 xCtxCtCtx，O返回 式中 是積分變量，如果令 ，得 （4-10）其中： 式中： 稱為余誤差函數(shù)(又稱高斯誤差函數(shù)），它在擴散、熱傳導等問題中常用到。 x224)(Dtxx04)(02),(dxeDtCtxCDtxxdeCtxCDtx2022),()2(DtxerfDtxerfCdeCtxCDtx2121),(020022200022dedeCDtx202de（4-33）O返回Zerf(Z)Zerf(Z)001.20.91030.10.11251.50.96610.50.52052.00.99531.00.84272.40.9993由表可知，當 時，C(