第三章晶體的結(jié)構(gòu)缺陷

1、第三章晶體的結(jié)構(gòu)缺陷H第三章第三章 晶體的結(jié)構(gòu)缺陷晶體的結(jié)構(gòu)缺陷Imperfections in crystalsW樣品的場離子樣品的場離子(Field ion)顯微分析照片顯微分析照片第三章晶體的結(jié)構(gòu)缺陷H學學 習習 內(nèi)內(nèi) 容容1 1、點缺陷、點缺陷2 2、線缺陷、線缺陷3 3、面缺陷、面缺陷4 4、固溶體、固溶體5 5、非化學計量化合物、非化學計量化合物第三章晶體的結(jié)構(gòu)缺陷H 并不存在實際的理想晶體，材料中普遍存在大量的缺陷并不存在實際的理想晶體，材料中普遍存在大量的缺陷（熱運動、擠壓、扭曲、溶解、雜質(zhì)等因素）；（熱運動、擠壓、扭曲、溶解、雜質(zhì)等因素）； 缺陷影響材料性質(zhì)，有些是有利于材料

2、的利用（電阻率、缺陷影響材料性質(zhì)，有些是有利于材料的利用（電阻率、磁導(dǎo)率、屈服強度、塑性等）；磁導(dǎo)率、屈服強度、塑性等）； 缺陷的形式與角色（點、線、面缺陷；擴散、相變、再結(jié)缺陷的形式與角色（點、線、面缺陷；擴散、相變、再結(jié)晶、氧化、燒結(jié)等）晶、氧化、燒結(jié)等）如：合金，如：合金，如：藍寶石的化學成分為三氧化二鋁（如：藍寶石的化學成分為三氧化二鋁（Al2O3），因含微量），因含微量元素鈦（元素鈦（Ti4+）或鐵（）或鐵（Fe2+）而呈藍色。）而呈藍色。紅寶石紅寶石的化學成分為三氧化二鋁（的化學成分為三氧化二鋁（Al2O3），因含微量元素），因含微量元素Cr（Cr3+）而呈紅色。）而呈紅色。 如：

3、集成電路中對缺陷的控制如：集成電路中對缺陷的控制 簡介：缺陷的含義及作用簡介：缺陷的含義及作用第三章晶體的結(jié)構(gòu)缺陷H玄武巖中的藍寶石玄武巖中的藍寶石山東昌樂山東昌樂lxy02第三章晶體的結(jié)構(gòu)缺陷H剛玉（紅寶石）剛玉（紅寶石）紅寶石第三章晶體的結(jié)構(gòu)缺陷HNow What Do You See?VacancyInterstitial第三章晶體的結(jié)構(gòu)缺陷H缺缺 陷陷 種種 類類 Imperfections, Defects 1 1、點缺陷（、點缺陷（Point defectsPoint defects）：最簡單的晶體缺陷，在結(jié)點上）：最簡單的晶體缺陷，在結(jié)點上或鄰近的微觀區(qū)域內(nèi)偏離晶體結(jié)構(gòu)的正常排列

4、。在空間三維方或鄰近的微觀區(qū)域內(nèi)偏離晶體結(jié)構(gòu)的正常排列。在空間三維方向上的尺寸都很小，約為一個、幾個原子間距，又稱零維缺陷。向上的尺寸都很小，約為一個、幾個原子間距，又稱零維缺陷。包括空位、間隙原子、雜質(zhì)、溶質(zhì)原子等。包括空位、間隙原子、雜質(zhì)、溶質(zhì)原子等。2 2、線缺陷（、線缺陷（Linear defectsLinear defects）：在一個方向上的缺陷擴展很）：在一個方向上的缺陷擴展很大，其它兩個方向上尺寸很小，也稱為一維缺陷。主要為位錯。大，其它兩個方向上尺寸很小，也稱為一維缺陷。主要為位錯。3 3、面缺陷（、面缺陷（Interfacial defectsInterfacial def

5、ects）：在兩個方向上的缺陷）：在兩個方向上的缺陷擴展很大，其它一個方向上尺寸很小，也稱為二維缺陷。包括擴展很大，其它一個方向上尺寸很小，也稱為二維缺陷。包括晶界、相界、孿晶界、堆垛層錯等。晶界、相界、孿晶界、堆垛層錯等。第三章晶體的結(jié)構(gòu)缺陷H第一節(jié)第一節(jié) 點缺陷點缺陷Point Defects分類：分類： 1 1）晶格位置缺陷（熱缺陷）晶格位置缺陷（熱缺陷） 正常位置上的結(jié)點未出現(xiàn)原子，形成空位正常位置上的結(jié)點未出現(xiàn)原子，形成空位, ,本來不該有的地本來不該有的地方出現(xiàn)了原子，稱為填隙原子。方出現(xiàn)了原子，稱為填隙原子。 形成原因：溫度形成原因：溫度 2 2）組成缺陷（雜質(zhì)缺陷）組成缺陷（雜

6、質(zhì)缺陷） 外來雜質(zhì)進入晶格中。外來雜質(zhì)進入晶格中。 形成原因：雜質(zhì)引起形成原因：雜質(zhì)引起 3 3）電子缺陷（非化學計量化合物）電子缺陷（非化學計量化合物）晶體中某些個別電子處于激發(fā)態(tài)，離開原來位置形成自由電子晶體中某些個別電子處于激發(fā)態(tài)，離開原來位置形成自由電子形成原因：氣氛形成原因：氣氛第三章晶體的結(jié)構(gòu)缺陷H晶格位置缺陷 與溫度有關(guān)，因此又稱熱缺陷。與溫度有關(guān)，因此又稱熱缺陷。 有兩種基本形式：有兩種基本形式：弗倫克耳缺陷和肖特基缺弗倫克耳缺陷和肖特基缺陷陷第三章晶體的結(jié)構(gòu)缺陷H一一 熱缺陷種熱缺陷種 類類肖特基（肖特基（Schottky）空位：原子遷移到晶體表面或內(nèi)表面）空位：原子遷移到晶

7、體表面或內(nèi)表面的正常結(jié)點位置，使晶體內(nèi)部留下空位。的正常結(jié)點位置，使晶體內(nèi)部留下空位。弗倫克爾（弗倫克爾（Frenkel）缺陷：在晶體中形成數(shù)目相等的空位）缺陷：在晶體中形成數(shù)目相等的空位和間隙原子。和間隙原子。第三章晶體的結(jié)構(gòu)缺陷H兩種缺陷特點u（1 1）兩種離子半徑相差不大時形成肖特基缺）兩種離子半徑相差不大時形成肖特基缺陷，相差加大時形成弗倫克耳缺陷。陷，相差加大時形成弗倫克耳缺陷。u（2 2）弗倫克耳缺陷體積不變，肖特基缺陷體）弗倫克耳缺陷體積不變，肖特基缺陷體積變大。積變大。第三章晶體的結(jié)構(gòu)缺陷H缺陷濃度缺陷濃度無論是弗倫克耳缺陷還是肖特基缺陷濃度均為下式：無論是弗倫克耳缺陷還是肖特

8、基缺陷濃度均為下式：C = ns/N = = exp-E/(2kT)影響缺陷濃度的主要因素影響缺陷濃度的主要因素:溫度和缺陷形成能。溫度和缺陷形成能。例如：例如：NaCl晶體重形成間隙質(zhì)點能量為晶體重形成間隙質(zhì)點能量為11.2212.9810-19J，而形成一個肖特基缺陷的能，而形成一個肖特基缺陷的能量只需量只需3.2010-19J。所以在。所以在NaCl晶體中，肖特基晶體中，肖特基缺陷要比弗倫克耳缺陷多得多。缺陷要比弗倫克耳缺陷多得多。注意（注意（1）在晶體中兩種缺陷往往同時存在，只不過在晶體中兩種缺陷往往同時存在，只不過一種為主。一種為主。 （2）缺陷形成能的數(shù)據(jù)由實驗結(jié)果得到，因此數(shù)缺陷

9、形成能的數(shù)據(jù)由實驗結(jié)果得到，因此數(shù)據(jù)不全。據(jù)不全。第三章晶體的結(jié)構(gòu)缺陷H點缺陷的運動點缺陷的運動 必然性：在一定溫度下，點缺陷數(shù)目（濃度）一定，并處于不必然性：在一定溫度下，點缺陷數(shù)目（濃度）一定，并處于不斷的運動過程中。斷的運動過程中。 遷移：晶格上的原子由于熱運動，跳入空位中，形成另一個空遷移：晶格上的原子由于熱運動，跳入空位中，形成另一個空位，原來空位消失。這一過程可以看作空位的移動，即空位遷移。位，原來空位消失。這一過程可以看作空位的移動，即空位遷移。同樣，間隙原子可從一個位置移動到另一個位置，形成間隙原子同樣，間隙原子可從一個位置移動到另一個位置，形成間隙原子遷移。遷移。 復(fù)合：間隙

10、原子落入空位，使兩者都消失。由于要求一定溫度復(fù)合：間隙原子落入空位，使兩者都消失。由于要求一定溫度下的點缺陷平衡濃度保持一定，因此，又會產(chǎn)生新的間隙原子、下的點缺陷平衡濃度保持一定，因此，又會產(chǎn)生新的間隙原子、空位?？瘴弧?點缺陷的運動的作用：點缺陷的運動的作用： 自擴散：點缺陷的運動導(dǎo)致晶體中原子的無規(guī)則運動，即自自擴散：點缺陷的運動導(dǎo)致晶體中原子的無規(guī)則運動，即自擴散，是固態(tài)相變、表面化學熱處理、蠕變、燒結(jié)的基礎(chǔ)。擴散，是固態(tài)相變、表面化學熱處理、蠕變、燒結(jié)的基礎(chǔ)。 晶體性能的變化：體積、光學、磁性、導(dǎo)電性等改變。晶體性能的變化：體積、光學、磁性、導(dǎo)電性等改變。第三章晶體的結(jié)構(gòu)缺陷H點缺陷

11、的表示方法本節(jié)介紹以下內(nèi)容：本節(jié)介紹以下內(nèi)容：一、點缺陷的符號表征：一、點缺陷的符號表征：Kroger-Vink符號符號 二、缺陷反應(yīng)方程式的寫法二、缺陷反應(yīng)方程式的寫法第三章晶體的結(jié)構(gòu)缺陷H錯位原子間隙雜質(zhì)原子間隙陽離子XMXMXMX MXXM MXLXMXMX MXMXMXM XMXMXMX M XXMM XMXMXMX MXMXMXM MIXM陽離子空位陰離子空位第三章晶體的結(jié)構(gòu)缺陷H一、點缺陷的符號表征一、點缺陷的符號表征:Kroger-Vink符號符號以以MX型化合物為例：型化合物為例： 1.正常結(jié)點的離子：用正常結(jié)點的離子：用MM和和XX表示。表示。2.空位（空位（vacancy）

12、用用V來表示，符號中的右下標表示缺來表示，符號中的右下標表示缺陷所在位置，陷所在位置，VM含義即含義即M原子位置是空的。原子位置是空的。3.間隙原子（間隙原子（interstitial）亦稱為填隙原子，用亦稱為填隙原子，用Mi、Xi來來表示，其含義為表示，其含義為M、X原子位于晶格間隙位置。原子位于晶格間隙位置。4. 錯位原子錯位原子 錯位原子用錯位原子用MX、XM等表示，等表示，MX的含義是的含義是M原子占據(jù)原子占據(jù)X原子的位置。原子的位置。XM表示表示X原子占據(jù)原子占據(jù)M原子的原子的位置。位置。 第三章晶體的結(jié)構(gòu)缺陷H5. 取代離子取代離子： 當外來雜質(zhì)當外來雜質(zhì)L進入進入MX晶體的主晶格

13、位晶體的主晶格位置時，成為取代離子，若占據(jù)置時，成為取代離子，若占據(jù)M的位置則表示為的位置則表示為LM，若進入間隙位置則表示為，若進入間隙位置則表示為Li，若取代負離子，若取代負離子位置，則表示為位置，則表示為LX。6. 自由電子自由電子（electron）與電子空穴）與電子空穴 (hole）分別用分別用e，和和h 來表示。其中右上標中的一撇來表示。其中右上標中的一撇“，”代表一個單位負電荷，一個圓點代表一個單位負電荷，一個圓點“ ”代表一個單代表一個單位正電荷。位正電荷。 第三章晶體的結(jié)構(gòu)缺陷H 7.帶電缺陷帶電缺陷 在在NaCl晶體中，取出一個晶體中，取出一個Na+離子，會在原來離子，會在

14、原來的位置上留下一個電子的位置上留下一個電子e，寫成寫成VNa ，即代表，即代表Na+離子空位，帶一個單位負電荷。同理，離子空位，帶一個單位負電荷。同理，Cl離子空位記為離子空位記為VCl ，帶一個單位正電荷。，帶一個單位正電荷。 即：即：VNa=VNae，VCl =VClh。 第三章晶體的結(jié)構(gòu)缺陷H 其它帶電缺陷：其它帶電缺陷：1)CaCl2加入加入NaCl晶體時，若晶體時，若Ca2+離子位于離子位于Na+離子離子位置上，其缺陷符號為位置上，其缺陷符號為CaNa ，此符號含義為，此符號含義為Ca2+離離子占據(jù)子占據(jù)Na+離子位置，帶有一個單位正電荷。離子位置，帶有一個單位正電荷。 2)CaZ

15、r,表示表示Ca2+離子占據(jù)離子占據(jù)Zr4+離子位置，此缺陷帶離子位置，此缺陷帶有二個單位負電荷。有二個單位負電荷。 其余的缺陷其余的缺陷VM、VX、Mi、Xi等都可以加上對應(yīng)于原等都可以加上對應(yīng)于原陣點位置的有效電荷來表示相應(yīng)的帶電缺陷。陣點位置的有效電荷來表示相應(yīng)的帶電缺陷。 第三章晶體的結(jié)構(gòu)缺陷H8.締合中心締合中心 電性相反的缺陷距離接近到一定程電性相反的缺陷距離接近到一定程度時，在庫侖力作用下會締合成一組度時，在庫侖力作用下會締合成一組或一群，產(chǎn)生一個或一群，產(chǎn)生一個締合中心締合中心， VM和和VX發(fā)生締合發(fā)生締合,記為（記為（VMVX）。）。第三章晶體的結(jié)構(gòu)缺陷H點缺陷點缺陷 空位

16、空位 vacancy空位：指未被原子占據(jù)的晶格結(jié)點?？瘴划a(chǎn)生后，其周圍原子相互間的作用力失去平衡，因而它們朝空位方向稍有移動，形成一個涉及幾個原子間距范圍的彈性畸變區(qū)，即晶格畸變?？瘴豢瘴坏谌戮w的結(jié)構(gòu)缺陷H點缺陷點缺陷 間隙原子間隙原子 self-interstitial間隙原子：指處于晶格間間隙原子：指處于晶格間隙位置的間隙原子。同樣隙位置的間隙原子。同樣會使周圍點陣產(chǎn)生彈性畸會使周圍點陣產(chǎn)生彈性畸變，而且畸變程度要比空變，而且畸變程度要比空位引起的畸變大的多，因位引起的畸變大的多，因此，形成能大，在晶體中此，形成能大，在晶體中的濃度很低。的濃度很低。間隙原子間隙原子第三章晶體的結(jié)構(gòu)缺陷

17、H第三章晶體的結(jié)構(gòu)缺陷H陶瓷（離子晶體）的點缺陷陶瓷（離子晶體）的點缺陷 要滿足電中性的要求，為維持電的中性需產(chǎn)生正離子、負離要滿足電中性的要求，為維持電的中性需產(chǎn)生正離子、負離子的空位、或空位對。子的空位、或空位對。例如，正常的例如，正常的FeO結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)與NaCl相同，但相同，但由于部分由于部分Fe2+被被Fe3+取代，因此為了平衡取代，因此為了平衡2個個Fe3+引起的多余電引起的多余電荷，必然出現(xiàn)荷，必然出現(xiàn)1個個Fe2+空位?？瘴?。 第三章晶體的結(jié)構(gòu)缺陷H第二節(jié)第二節(jié) 固溶體（雜質(zhì)缺陷）固溶體（雜質(zhì)缺陷）一、固溶體的概念和分類一、固溶體的概念和分類 定義：兩種或兩種以上的組分，在固態(tài)定

18、義：兩種或兩種以上的組分，在固態(tài)條件下相互溶解形成的。組分高的稱為條件下相互溶解形成的。組分高的稱為溶劑，組分含量低的稱為溶質(zhì)。溶劑，組分含量低的稱為溶質(zhì)。 固溶體即固體溶液。固溶體即固體溶液。第三章晶體的結(jié)構(gòu)缺陷H固溶體、化合物和混合物比較固溶體、化合物和混合物比較（以（以AO溶質(zhì)溶解在溶質(zhì)溶解在B2O3溶劑中為例）溶劑中為例）固溶體化合物混合物形成方式反應(yīng)式化學組成混合尺度結(jié)構(gòu)相組成摻雜 溶解B2-xAxO3-x/2原子（離子）尺度與B2O3相同均勻單相化學反應(yīng)AOB2O3AB2O4AB2O4原子（離子）尺度AB2O4型結(jié)構(gòu)單相機械混合AOB2O3均勻混合AOB2O3晶體顆粒態(tài)AO結(jié)構(gòu)B2

19、O3結(jié)構(gòu)兩相有界面23222B OBOOAOAVO 第三章晶體的結(jié)構(gòu)缺陷H固溶體的分類固溶體的分類 1、按溶質(zhì)和溶劑來劃分、按溶質(zhì)和溶劑來劃分 連續(xù)固溶體連續(xù)固溶體：溶質(zhì)和溶劑可以按任意比例互相：溶質(zhì)和溶劑可以按任意比例互相固溶固溶 不連續(xù)固溶體不連續(xù)固溶體：溶質(zhì)只能以一定的比例和限度：溶質(zhì)只能以一定的比例和限度溶解于溶劑中。溶解于溶劑中。 2、按照溶質(zhì)在溶劑中所占的位置來劃分、按照溶質(zhì)在溶劑中所占的位置來劃分 置換固溶體置換固溶體：溶質(zhì)置換了正常位置上的質(zhì)點：溶質(zhì)置換了正常位置上的質(zhì)點 間隙固溶體間隙固溶體：溶質(zhì)質(zhì)點進入溶劑晶體結(jié)構(gòu)間隙：溶質(zhì)質(zhì)點進入溶劑晶體結(jié)構(gòu)間隙位置，成為間隙質(zhì)點。位置，

20、成為間隙質(zhì)點。第三章晶體的結(jié)構(gòu)缺陷H二、置換固溶體二、置換固溶體 A、形成置換固溶體的條件：、形成置換固溶體的條件： （1）離子尺寸因素）離子尺寸因素 原因：相互替代的離子尺寸愈相近，則固溶體越穩(wěn)定。原因：相互替代的離子尺寸愈相近，則固溶體越穩(wěn)定。12112112115%:15%30%:30%:rrrrrrrrr連續(xù)置換固溶體有限置換固溶體不形成固溶體注意：這是注意：這是形成連續(xù)固形成連續(xù)固溶體的必要溶體的必要條件，而不條件，而不是充分必要是充分必要條件。條件。第三章晶體的結(jié)構(gòu)缺陷H舉例：舉例： 1、MgONiO 2、MgOCaO2222.78%MgNiMgrrr2220.0720.10632

21、.1%0.106MgCaCarrr第三章晶體的結(jié)構(gòu)缺陷H 3、MgOFeO2220.0720.0828.3%0.082MgFeFerrr第三章晶體的結(jié)構(gòu)缺陷H2、晶體類型 相同類型的晶體才可以形成連續(xù)固溶體相同類型的晶體才可以形成連續(xù)固溶體 例：例：Al2O3Cr2O3 Mg2SiO4Fe2SiO4 ThO2UO2 MgOFeO 可以形成連續(xù)置換固溶體可以形成連續(xù)置換固溶體 CaO和和ZrO2不能形成連續(xù)固溶體，但可以形成不能形成連續(xù)固溶體，但可以形成有限固溶體有限固溶體第三章晶體的結(jié)構(gòu)缺陷H3、電價因素、電價因素 只有離子價相同或復(fù)合替代離子價總和相同時，只有離子價相同或復(fù)合替代離子價總和相

22、同時，才可以形成連續(xù)置換固溶體。才可以形成連續(xù)置換固溶體。 Ca2Al3NaSi4在硅酸鹽晶體中，常發(fā)生復(fù)合離子的等價置換，在硅酸鹽晶體中，常發(fā)生復(fù)合離子的等價置換，如如Na+Si4+ =Ca2+Al3+，使鈣長石，使鈣長石CaAl2Si2O6和鈉長石和鈉長石NaAlSi3O8能形成連續(xù)固溶體。又如，能形成連續(xù)固溶體。又如，Ca2+=2Na+，Ba2+=2K+常出現(xiàn)在沸石礦物中。常出現(xiàn)在沸石礦物中。4、電負性、電負性電負性相近的組分易形成固溶體電負性相近的組分易形成固溶體(ThO2TiO2MgOTiO2結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)中，TiO6八面體空隙可以利用。八面體空隙可以利用。ThO2（CaF2）有配位數(shù)

23、為）有配位數(shù)為8的空隙可以利用的空隙可以利用沸石有較大的孔洞沸石有較大的孔洞 第三章晶體的結(jié)構(gòu)缺陷H實例實例 在面心立方結(jié)構(gòu)中，例如在面心立方結(jié)構(gòu)中，例如MgO中，氧八面體間中，氧八面體間隙都已被隙都已被Mg離子占滿，只有氧四面體間隙是空的。離子占滿，只有氧四面體間隙是空的。在在TiO2中，有二分之一的八面體空隙是空的。在螢中，有二分之一的八面體空隙是空的。在螢石結(jié)構(gòu)中，氟離子作簡單立方排列，而正離子石結(jié)構(gòu)中，氟離子作簡單立方排列，而正離子Ca2+只占據(jù)了有立方體空隙的一半，在晶胞中有一個較只占據(jù)了有立方體空隙的一半，在晶胞中有一個較大的間隙位置。在沸石之類的具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的硅酸大的間隙位置。在

24、沸石之類的具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的硅酸鹽結(jié)構(gòu)中，間隙就更大，具有隧道型空隙。鹽結(jié)構(gòu)中，間隙就更大，具有隧道型空隙。 因此，因此，對于同樣的外來雜質(zhì)原子，可以預(yù)料形成填隙式固對于同樣的外來雜質(zhì)原子，可以預(yù)料形成填隙式固溶體的可能性或固溶度大小的順序?qū)⑹欠惺荏w的可能性或固溶度大小的順序?qū)⑹欠惺炇炇疶iO2MgO實驗證明是符合的。實驗證明是符合的。 第三章晶體的結(jié)構(gòu)缺陷H3 電價因素電價因素 外來雜質(zhì)原子進人間隙時，必然引起晶體結(jié)構(gòu)中外來雜質(zhì)原子進人間隙時，必然引起晶體結(jié)構(gòu)中電價的不平衡，這時可以通過生成空位，產(chǎn)生部分電價的不平衡，這時可以通過生成空位，產(chǎn)生部分取代或離子的價態(tài)變化來保持電價平衡。取代或

25、離子的價態(tài)變化來保持電價平衡。例如例如YF3加入到加入到CaF2中：中：當當F-進入間隙時，產(chǎn)生負電荷，由進入間隙時，產(chǎn)生負電荷，由Y3+進入進入Ca2+位置位置來保持位置關(guān)系和電價的平衡。來保持位置關(guān)系和電價的平衡。 間隙式固溶體的生成，間隙式固溶體的生成，般都使晶格常數(shù)增大，般都使晶格常數(shù)增大，增加到一定的程度，使固溶體變成不穩(wěn)定而離解，增加到一定的程度，使固溶體變成不穩(wěn)定而離解，所以所以填隙型固溶體不可能是連續(xù)的固溶體填隙型固溶體不可能是連續(xù)的固溶體。晶體中。晶體中間隙是有限的，容納雜質(zhì)質(zhì)點的能力間隙是有限的，容納雜質(zhì)質(zhì)點的能力10%。 322iFCaCaFFFYYF 第三章晶體的結(jié)構(gòu)缺

26、陷H四、形成固溶體后對晶體性質(zhì)的影響四、形成固溶體后對晶體性質(zhì)的影響 1、 穩(wěn)定晶格，阻止某些晶型轉(zhuǎn)變的發(fā)生穩(wěn)定晶格，阻止某些晶型轉(zhuǎn)變的發(fā)生 2、活化晶格、活化晶格 3、固溶強化、固溶強化第三章晶體的結(jié)構(gòu)缺陷H1、穩(wěn)定晶格，阻止某些晶型轉(zhuǎn)變的發(fā)生、穩(wěn)定晶格，阻止某些晶型轉(zhuǎn)變的發(fā)生 (1) PbTiO3是一種鐵電體，純是一種鐵電體，純PbTiO3燒結(jié)性燒結(jié)性能極差，居里點為能極差，居里點為490，發(fā)生相變時，晶，發(fā)生相變時，晶格常數(shù)劇烈變化，在常溫下發(fā)生開裂。格常數(shù)劇烈變化，在常溫下發(fā)生開裂。PbZrO3是一種反鐵電體，居里點為是一種反鐵電體，居里點為230。兩者結(jié)構(gòu)相同，兩者結(jié)構(gòu)相同，Zr4+

27、、Ti4+離子尺寸相差不離子尺寸相差不多，能在常溫生成連續(xù)固溶體多，能在常溫生成連續(xù)固溶體Pb(ZrxTi1-x)O3，x=0.10.3。在斜方鐵電體和四方鐵。在斜方鐵電體和四方鐵電體的邊界組成電體的邊界組成Pb(Zr0.54Ti0.46)O3處，壓電處，壓電性能、介電常數(shù)都達到最大值，燒結(jié)性能性能、介電常數(shù)都達到最大值，燒結(jié)性能也很好，被命名為也很好，被命名為PZT陶瓷。陶瓷。第三章晶體的結(jié)構(gòu)缺陷H(2)ZrO2是一種高溫耐火材料，熔點是一種高溫耐火材料，熔點2680，但發(fā)，但發(fā)生相變時生相變時伴隨很大的體積收縮，這對高溫結(jié)構(gòu)材料是致命的。伴隨很大的體積收縮，這對高溫結(jié)構(gòu)材料是致命的。若加入

28、若加入CaO，則和，則和ZrO2形成固溶體，無晶型轉(zhuǎn)變，形成固溶體，無晶型轉(zhuǎn)變，體積效應(yīng)減少，使體積效應(yīng)減少，使ZrO2成為一種很好的高溫結(jié)構(gòu)成為一種很好的高溫結(jié)構(gòu)材料。材料。 四方單斜C1200第三章晶體的結(jié)構(gòu)缺陷H3、活化晶格形成固溶體后，晶格結(jié)構(gòu)有一定畸變，處于高能形成固溶體后，晶格結(jié)構(gòu)有一定畸變，處于高能量的活化狀態(tài)，有利于進行化學反應(yīng)。如，量的活化狀態(tài)，有利于進行化學反應(yīng)。如，Al2O3熔點高（熔點高（2050），不利于燒結(jié)，若加），不利于燒結(jié)，若加入入TiO2，可使燒結(jié)溫度下降到，可使燒結(jié)溫度下降到1600，這是因，這是因為為Al2O3 與與TiO2形成固溶體，形成固溶體，Ti4+

29、置換置換Al3+后，后， 帶正電，為平衡電價，產(chǎn)生了正離子空位，加帶正電，為平衡電價，產(chǎn)生了正離子空位，加快擴散，有利于燒結(jié)進行?？鞌U散，有利于燒結(jié)進行。 第三章晶體的結(jié)構(gòu)缺陷H固溶體的性質(zhì) 固溶體對單晶光學性能的影響固溶體對單晶光學性能的影響 人造寶石人造寶石寶石名稱寶石名稱基體基體顏色顏色著色劑著色劑(%)淡紅寶石淡紅寶石紅寶石紅寶石紫羅蘭寶石紫羅蘭寶石黃玉寶石黃玉寶石海藍寶石海藍寶石桔紅鈦寶石桔紅鈦寶石藍鈦寶石藍鈦寶石Al2O3Al2O3Al2O3Al2O3Mg(AlO2)2TiO2TiO2淡紅色淡紅色紅色紅色紫色紫色金黃色金黃色藍色藍色桔紅色桔紅色藍色藍色Cr2O3 0.01-0.05

30、Cr2O3 1-3TiO2 0.5 Cr2O3 0.1Fe2O3 1.5NiO 0.5 Cr2O3 0.01-0.05CoO 0.01-0.05Cr2O3 0.05氧不足氧不足第三章晶體的結(jié)構(gòu)缺陷H固溶體的性質(zhì) 純的純的AlAl2 2O O3 3單晶是無色透明的，稱為白寶單晶是無色透明的，稱為白寶石。通過加入不同添加劑形成固溶體，石。通過加入不同添加劑形成固溶體，可以形成不同顏色的寶石?？梢孕纬刹煌伾膶毷?。 CrCr3+3+使使AlAl2 2O O3 3變成紅色的原因：變成紅色的原因：紅寶石強烈吸收紅寶石強烈吸收可見光中的籃紫可見光中的籃紫光，因而呈現(xiàn)紅光，因而呈現(xiàn)紅色。色。第三章晶體的結(jié)

31、構(gòu)缺陷H固溶體的性質(zhì) 紅寶石的光吸收特性與紅寶石的光吸收特性與Cr3+造成的局域能級有造成的局域能級有關(guān)。該能級位于禁帶中，關(guān)。該能級位于禁帶中，該能級的存在使得電子該能級的存在使得電子可以吸收一個藍色的光可以吸收一個藍色的光子躍遷到激發(fā)態(tài)，被激子躍遷到激發(fā)態(tài)，被激發(fā)的電子發(fā)生一個非輻發(fā)的電子發(fā)生一個非輻射躍遷降到介穩(wěn)態(tài)，其射躍遷降到介穩(wěn)態(tài)，其能量被聲子所吸收，然能量被聲子所吸收，然后發(fā)生一個輻射躍遷放后發(fā)生一個輻射躍遷放出紅色光子回到基態(tài)。出紅色光子回到基態(tài)。第三章晶體的結(jié)構(gòu)缺陷H（三）固溶體類型的實驗判別（三）固溶體類型的實驗判別 對于金屬氧化物系統(tǒng)，最可靠而簡便的方法對于金屬氧化物系統(tǒng)，

32、最可靠而簡便的方法是寫出生成不同類型固溶體的缺陷反應(yīng)方程，根是寫出生成不同類型固溶體的缺陷反應(yīng)方程，根據(jù)缺陷方程計算出雜質(zhì)濃度與固溶體密度的關(guān)系，據(jù)缺陷方程計算出雜質(zhì)濃度與固溶體密度的關(guān)系，并畫出曲線，然后把這些數(shù)據(jù)與實驗值相比較，并畫出曲線，然后把這些數(shù)據(jù)與實驗值相比較，哪種類型與實驗相符合即是什么類型。哪種類型與實驗相符合即是什么類型。 第三章晶體的結(jié)構(gòu)缺陷H1、理論密度計算、理論密度計算 計算方法計算方法1）先寫出可能的缺陷反應(yīng)方程式；）先寫出可能的缺陷反應(yīng)方程式； 2）根據(jù)缺陷反應(yīng)方程式寫出固溶體）根據(jù)缺陷反應(yīng)方程式寫出固溶體 可能的化學式可能的化學式由此可見，固溶體化學式的寫法至關(guān)重

33、要由此可見，固溶體化學式的寫法至關(guān)重要3）由化學式可知晶胞中有幾種質(zhì)點，計算出晶胞中）由化學式可知晶胞中有幾種質(zhì)點，計算出晶胞中i質(zhì)點的質(zhì)量：質(zhì)點的質(zhì)量：據(jù)此，計算出晶胞質(zhì)量據(jù)此，計算出晶胞質(zhì)量g： V理（含有雜質(zhì)的）固溶體的晶胞質(zhì)量g理論密度晶胞體積i0iiiigN的晶胞分子數(shù)實際所占分數(shù)的原子量質(zhì)點質(zhì)量阿佛加德羅常數(shù)nii 1gg第三章晶體的結(jié)構(gòu)缺陷H二、缺陷反應(yīng)表示法二、缺陷反應(yīng)表示法 對于雜質(zhì)缺陷而言，缺陷反應(yīng)方程式的一對于雜質(zhì)缺陷而言，缺陷反應(yīng)方程式的一般式：般式： 產(chǎn)生的各種缺陷雜質(zhì)基質(zhì)第三章晶體的結(jié)構(gòu)缺陷H1.寫缺陷反應(yīng)方程式應(yīng)遵循的原則寫缺陷反應(yīng)方程式應(yīng)遵循的原則 與一般的化學

34、反應(yīng)相類似，書寫缺陷反應(yīng)方程式與一般的化學反應(yīng)相類似，書寫缺陷反應(yīng)方程式時，應(yīng)該遵循下列基本原則：時，應(yīng)該遵循下列基本原則： （1）位置關(guān)系）位置關(guān)系（2）質(zhì)量平衡質(zhì)量平衡（3）電中性）電中性 第三章晶體的結(jié)構(gòu)缺陷H （1）位置關(guān)系：）位置關(guān)系： 在化合物在化合物MaXb中，無論是否存在缺陷，其中，無論是否存在缺陷，其正負離子位置數(shù)（即格點數(shù)）的之比始終是正負離子位置數(shù)（即格點數(shù)）的之比始終是一個常數(shù)一個常數(shù)a/b，即：，即：M的格點數(shù)的格點數(shù)/X的格點數(shù)的格點數(shù) a/b。如。如NaCl結(jié)構(gòu)中，正負離子格點數(shù)之比結(jié)構(gòu)中，正負離子格點數(shù)之比為為1/1，Al2O3中則為中則為2/3。 格點即陣點，

35、亦即理想晶體中格點即陣點，亦即理想晶體中原子（或離子）所處的位置原子（或離子）所處的位置第三章晶體的結(jié)構(gòu)缺陷H注意：注意：一一位置關(guān)系強調(diào)形成缺陷時，基質(zhì)晶體中正負位置關(guān)系強調(diào)形成缺陷時，基質(zhì)晶體中正負離子離子格點數(shù)之比格點數(shù)之比保持不變，并非原子個數(shù)比保持不變，并非原子個數(shù)比保持不變。保持不變。二二在上述各種缺陷符號中，在上述各種缺陷符號中，VM、VX、MM、XX、MX、XM等位于正常格點上，對等位于正常格點上，對格點數(shù)的多少格點數(shù)的多少有影響，而有影響，而Mi、Xi、e，、h等不在正常格點上，等不在正常格點上，對格點數(shù)的多少無影響。對格點數(shù)的多少無影響。三三形成缺陷時，基質(zhì)晶體中的形成缺陷

36、時，基質(zhì)晶體中的原子數(shù)原子數(shù)會發(fā)生變會發(fā)生變化，外加雜質(zhì)進入基質(zhì)晶體時，系統(tǒng)原子數(shù)化，外加雜質(zhì)進入基質(zhì)晶體時，系統(tǒng)原子數(shù)增加，晶體尺寸增大；基質(zhì)中原子逃逸到周增加，晶體尺寸增大；基質(zhì)中原子逃逸到周圍介質(zhì)中時，晶體尺寸減小。圍介質(zhì)中時，晶體尺寸減小。 ？第三章晶體的結(jié)構(gòu)缺陷H （2）質(zhì)量平衡：）質(zhì)量平衡：與化學反應(yīng)方程式相同，與化學反應(yīng)方程式相同，缺陷反應(yīng)方程式兩邊的質(zhì)量應(yīng)該相等。需缺陷反應(yīng)方程式兩邊的質(zhì)量應(yīng)該相等。需要注意的是缺陷符號的要注意的是缺陷符號的右下標右下標表示缺陷所表示缺陷所在的位置，對質(zhì)量平衡無影響。在的位置，對質(zhì)量平衡無影響。 （3）電中性：）電中性：電中性要求缺陷反應(yīng)方程式電

37、中性要求缺陷反應(yīng)方程式兩邊的兩邊的有效電荷數(shù)有效電荷數(shù)必須相等。必須相等。第三章晶體的結(jié)構(gòu)缺陷H 2.缺陷反應(yīng)實例缺陷反應(yīng)實例 雜質(zhì)（組成）缺陷反應(yīng)方程式雜質(zhì)（組成）缺陷反應(yīng)方程式雜質(zhì)在基質(zhì)雜質(zhì)在基質(zhì)中的溶解過程中的溶解過程 雜質(zhì)進入基質(zhì)晶體時，一般遵循雜質(zhì)進入基質(zhì)晶體時，一般遵循雜質(zhì)的正雜質(zhì)的正負離子分別進入基質(zhì)的正負離子位置負離子分別進入基質(zhì)的正負離子位置的原的原則，這樣基質(zhì)晶體的晶格畸變小，缺陷容則，這樣基質(zhì)晶體的晶格畸變小，缺陷容易形成。在不等價替換時，會產(chǎn)生間隙質(zhì)易形成。在不等價替換時，會產(chǎn)生間隙質(zhì)點或空位。點或空位。第三章晶體的結(jié)構(gòu)缺陷H 低價正離子占據(jù)高價正離子位置時，該位置帶有

38、低價正離子占據(jù)高價正離子位置時，該位置帶有負電荷負電荷，為了保持電中性，會產(chǎn)生負離子空位或間，為了保持電中性，會產(chǎn)生負離子空位或間隙正離子。隙正離子。 高價正離子占據(jù)低價正離子位置時，該位置高價正離子占據(jù)低價正離子位置時，該位置帶有帶有正電荷正電荷，為了保持電中性，會產(chǎn)生正離，為了保持電中性，會產(chǎn)生正離子空位或間隙負離子。子空位或間隙負離子。 基本規(guī)律：基本規(guī)律：第三章晶體的結(jié)構(gòu)缺陷H缺陷方程的寫法缺陷方程的寫法 （1）高價置換低價）高價置換低價 陽離子出現(xiàn)空位陽離子出現(xiàn)空位 陰離子進入間隙陰離子進入間隙 （2）低價置換高價）低價置換高價陰離子出現(xiàn)空位陰離子出現(xiàn)空位 陽離子進入間隙陽離子進入間

39、隙（3）等價置換）等價置換23232322 MgOMgMgOMgOMgiOAl OAlVOAl OAlOO2222 ZrOZrOOZrOZriOCaOCaVOCaOCaCaO232323Al OAlOCr OCrO 第三章晶體的結(jié)構(gòu)缺陷H例例1寫出寫出NaF加入加入YF3中的缺陷反應(yīng)方程式中的缺陷反應(yīng)方程式 以以正離子正離子為基準，反應(yīng)方程式為：為基準，反應(yīng)方程式為： 以以負離子負離子為基準，反應(yīng)方程式為：為基準，反應(yīng)方程式為：.FF YYFV2F NaNaF3F.i YYF3F2Na Na3NaF3 哪一個正確？第三章晶體的結(jié)構(gòu)缺陷H 以正離子正離子為基準，缺陷反應(yīng)方程式為： 以負離子負離子

40、為基準，則缺陷反應(yīng)方程式為：ClClCaCaCl iCl.KKCl2Cl K.KKCl2Cl2VCaCaCl例例2寫出寫出CaCl2加入加入KCl中的缺陷反應(yīng)方程式中的缺陷反應(yīng)方程式第三章晶體的結(jié)構(gòu)缺陷H 2、 固溶體化學式的寫法固溶體化學式的寫法 以以CaO加入到加入到ZrO2中為例，以中為例，以1mol為基準，摻為基準，摻入入xmolCaO。形成形成置換式固溶體置換式固溶體： 空位模型空位模型 x x x 則化學式為：則化學式為：CaxZrlxO2-x形成間隙式固溶體：形成間隙式固溶體： 間隙模型間隙模型 2y y y 則化學式為：則化學式為：Ca2yZr1-yO2 x、y為待定參數(shù)，可根

41、據(jù)實際摻入量確定。為待定參數(shù)，可根據(jù)實際摻入量確定。 OoZrZrOVOCaCaO 2 222ZrOiZrOCaOCaCaO 電中性檢驗：2(2Y)+4(1-y)-22=0電中性檢驗：2x+4(1-x)-2(2-x)=0第三章晶體的結(jié)構(gòu)缺陷H3、 舉例舉例例例1 以添加了以添加了0.15molCaO的的ZrO2固溶體為例。固溶體為例。置 換 式 固 溶 體 ： 化 學 式置 換 式 固 溶 體 ： 化 學 式 C axZ rl xO2 - x 即即Ca0.15Zr0.85O1.85 ZrO2屬立方晶系，螢石結(jié)構(gòu)，屬立方晶系，螢石結(jié)構(gòu)，Z=4，晶胞中有晶胞中有Ca2+、Zr4+、O2-三種質(zhì)點。

42、三種質(zhì)點。 x射線衍射分析晶胞常數(shù) a=5.131埃，晶胞體積V=a3=135.110-24cm3 Ca2Zr4O2i22230.150.851.854M4M8M112gg6.022 1075.18 10g 晶胞質(zhì)量（ ）23324g75.18 105.565g/cmV135.1 10置換第三章晶體的結(jié)構(gòu)缺陷H間隙式固溶體： 化學式 Ca2yZr1-yO2間隙式固溶體化學式為Ca0.15Zr0.925O2 實測實測=5.477g/cm3 可判斷生成的是置換型固溶體。可判斷生成的是置換型固溶體。 Ca2Zr4O2i2222230.150.92524M4M8M112gg6.022 100.150.

43、9252440.08 491.22 8161126.022 1081.31 10g 晶胞質(zhì)量（ ）23324g81.31 106.014g/cmV135.1 10理間第三章晶體的結(jié)構(gòu)缺陷H固溶體的判斷固溶體的判斷 例例2 MgO屬屬NaCl型結(jié)構(gòu)，型結(jié)構(gòu)， 若有若有0.03molAl2O3摻雜到摻雜到MgO中，試寫出兩種中，試寫出兩種缺陷反應(yīng)方程式及固溶式，并計算缺陷反應(yīng)方程式及固溶式，并計算MgO摻雜后摻雜后的密度變化，根據(jù)計算結(jié)果判斷缺陷方程的合的密度變化，根據(jù)計算結(jié)果判斷缺陷方程的合理性。（原子量如下：理性。（原子量如下：Al：26.98，Mg：24.31，O:16：00）第三章晶體的結(jié)

44、構(gòu)缺陷H233+232+2+1 320.910.06233+232+23Al OAlMgMg22Al OAlMgO MgOMgMgoxxMgOMgioAl OAlVOMgAlOMgAlOAl OAlOO假設(shè)加入xmol，則有2xmol離子，置換2xmol離子，有xmol離子進入空位，所以置換固溶體的固溶式如下：假設(shè)加入xmol，則有2xmol離子，置換2xmol離子，有xmol2-1 2210.940.061.03xxxMgAlOMgAlO離子進入間隙，所以間隙固溶體的固溶式如下：注意進行電中性檢驗第三章晶體的結(jié)構(gòu)缺陷H32323323234 (0.91 24.3126.98 0.06 16)

45、3.463( /)6.022 107.623 104 (0.94 24.3126.98 0.06 16 1.03)3.568( /)6.022 107.623 10niiniigg cmVgg cmV置換間隙由于間隙固溶體的形成容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定，而且在由于間隙固溶體的形成容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定，而且在MgO晶晶體中，所有的八面體空隙都被占據(jù)，僅剩下四面體空隙可供利體中，所有的八面體空隙都被占據(jù)，僅剩下四面體空隙可供利用，因此用，因此Al3離子若想進入，只有占據(jù)四面體空隙，這是比較離子若想進入，只有占據(jù)四面體空隙，這是比較難于實現(xiàn)的。難于實現(xiàn)的。 而空位形成而空位形成 是比較容易的，因此置換型

46、是比較合是比較容易的，因此置換型是比較合理的。理的。 第三章晶體的結(jié)構(gòu)缺陷H 例例3、用、用0.2molYF3加入加入CaF2 中形成固溶體，中形成固溶體，實驗測得固體的晶胞參數(shù)實驗測得固體的晶胞參數(shù)a0=0.55nm,測得固溶測得固溶體密度為體密度為3.64g/cm3,試計算并說明固溶體的類試計算并說明固溶體的類型。型。 解：缺陷方程如下：解：缺陷方程如下：223312321222()22V6()Ca()Ca() CaFCaFiCaFCaCaFxxxCa xxxYFYFFYFYFY FVY F間 隙 型置 換 型固 溶 式 ：間 隙 型置 換 型第三章晶體的結(jié)構(gòu)缺陷H 把把x=0.2帶入得固

47、溶式為：帶入得固溶式為： 填隙型：填隙型：Ca0.8Y0.2F2.2 空位型：空位型：Ca0.7Y0.2F2 由于由于CaF2是面心立方密堆，有是面心立方密堆，有4個分子個分子 固密度分別為：固密度分別為：32373323734 0.8 40.084 0.2 88.94 2.2 193.659(/)6.022 10(0.55 10 )4 0.740.084 0.2 88.94 2 193.346(/)6.022 10(0.55 10 ) niiniigg cmVgg cmV間隙置換間隙間隙與實測值更接近，所以形成間隙固溶體與實測值更接近，所以形成間隙固溶體第三章晶體的結(jié)構(gòu)缺陷H第三節(jié)第三節(jié) 非

48、化學計量化合物非化學計量化合物 定義：實際中一些化合物不遵守定比定律，出現(xiàn)小數(shù)定義：實際中一些化合物不遵守定比定律，出現(xiàn)小數(shù)情況，即為非化學計量化合物。如情況，即為非化學計量化合物。如Fe1-xO。 形成原因：氣氛形成原因：氣氛 1、陰離子空位型（、陰離子空位型（n型），金屬離子過剩，形成負離型），金屬離子過剩，形成負離子空位。如子空位。如TiO2-x，ZrO2-x。(氧不足）氧不足） 方程：方程：2221/62122212422321221 TioTiOTioTiOOoOOOTiOTiVOTiOTieVOOOeVOVP缺氧缺氧缺氧缺氧條件下，形成的負離子空位濃度與氧分壓的缺氧條件下，形成的負

49、離子空位濃度與氧分壓的1/6次方次方成正比。對分壓敏感。成正比。對分壓敏感。第三章晶體的結(jié)構(gòu)缺陷H2、陽離子間隙型（n型） 金屬離子過剩，形成間隙離子如ZnO在Zn蒸汽中造成Zn2離子過剩。( )1( )13( )222 ZnZn gZnxZn gZnOiOiZn gZnZnOZnOZnZnOZnP第三章晶體的結(jié)構(gòu)缺陷H3、陰離子間隙型（P型） 負離子過剩，形成間隙負離子如負離子過剩，形成間隙負離子如UO2， 形成兩個電子空穴，形成兩個電子空穴，P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體22O22+xO22UO1222122 UUiiUOUOUOOhO第三章晶體的結(jié)構(gòu)缺陷H分析2U O3222221222122 Uo

50、iUUiiU OUOOUOUOOhOU3O8是是UO3和和U2O5的混合物的混合物第三章晶體的結(jié)構(gòu)缺陷H4、陽離子空位型（、陽離子空位型（P型）型） 負離子過剩，正離子空位負離子過剩，正離子空位 如Fe1-xO即Fe2O3在FeO中的固溶體222321/ 62231222 FeOFeFeOOFeOFeFeFeOFe OFeVOFeOOVFeVP第三章晶體的結(jié)構(gòu)缺陷H第四節(jié)第四節(jié) 線缺陷線缺陷 Linear Defects位錯位錯 Dislocation 線缺陷即位錯。晶體中的原子發(fā)線缺陷即位錯。晶體中的原子發(fā)生了有規(guī)律的錯排現(xiàn)象。生了有規(guī)律的錯排現(xiàn)象。 特點：原子發(fā)生錯排的范圍在一特點：原子發(fā)

51、生錯排的范圍在一維方向上很大，是一個直徑為維方向上很大，是一個直徑為 3 35 5個原子間距，長數(shù)百個原子間個原子間距，長數(shù)百個原子間距以上的管狀原子畸變區(qū)。距以上的管狀原子畸變區(qū)。 重要性：對金屬強度、塑性變形、重要性：對金屬強度、塑性變形、擴散和相變等有顯著影響。擴散和相變等有顯著影響。 基本類型：刃型位錯和螺型位錯基本類型：刃型位錯和螺型位錯鈦合金（鈦合金（Titanium alloy） 中的位錯。中的位錯。TEM 51450 x第三章晶體的結(jié)構(gòu)缺陷H位錯（位錯（Dislocation）理論的發(fā)展）理論的發(fā)展 起源：塑性變形起源：塑性變形(plastic deformation) 滑移滑

52、移(slip) 滑移線滑移線 最初模型：最初模型：“剛性相對滑動模型剛性相對滑動模型” 計算臨界切應(yīng)力計算臨界切應(yīng)力 m = G/30 （G 切變模量）切變模量） 純鐵的理論臨界切應(yīng)力：約純鐵的理論臨界切應(yīng)力：約3000MPa 純鐵的實際屈服強度：純鐵的實際屈服強度： 1 10MPa 1934年年 Taylor、Orowan、Polanyi提出提出“位錯模型位錯模型”， 滑移是通過稱為位錯的運動而進行的滑移是通過稱為位錯的運動而進行的 1950年代年代 位錯模型為試驗所驗證位錯模型為試驗所驗證 現(xiàn)在，位錯是晶體的性能研究中最重要的概念現(xiàn)在，位錯是晶體的性能研究中最重要的概念 固態(tài)相變、晶體光、

53、電、聲、磁、熱力學，表面及催化等固態(tài)相變、晶體光、電、聲、磁、熱力學，表面及催化等？第三章晶體的結(jié)構(gòu)缺陷H位位 錯錯 基基 本本 類類 型型 和和 特特 征征1、刃型位錯（、刃型位錯（edge dislocation） 刃型位錯：一簡單立方晶體，有一原子面在晶體內(nèi)部中斷，猶刃型位錯：一簡單立方晶體，有一原子面在晶體內(nèi)部中斷，猶如用一把鋒利的鋼刀將晶體上半部分切開，沿切口硬插入一如用一把鋒利的鋼刀將晶體上半部分切開，沿切口硬插入一額額外半原子面一樣外半原子面一樣，將刃口處的原子列，將刃口處的原子列(AD)稱之為刃型位錯。稱之為刃型位錯。刃型位錯.swf多半片原多半片原子面子面第三章晶體的結(jié)構(gòu)缺陷

54、H刃型位錯（刃型位錯（edge dislocation）的特點）的特點 刃型位錯線可以理解為已滑移區(qū)和未滑刃型位錯線可以理解為已滑移區(qū)和未滑移區(qū)的分界線，它不一定是直線；移區(qū)的分界線，它不一定是直線； 位錯線上、下部臨近范圍內(nèi)原子受到壓位錯線上、下部臨近范圍內(nèi)原子受到壓應(yīng)力、拉應(yīng)力應(yīng)力、拉應(yīng)力, 離位錯線較遠處原子排列離位錯線較遠處原子排列恢復(fù)正常。恢復(fù)正常。 若額外半原子面位于晶體的上半部，則若額外半原子面位于晶體的上半部，則此處的位錯線稱為正刃型位錯（此處的位錯線稱為正刃型位錯（ ），反），反之，則稱為負刃型位錯（之，則稱為負刃型位錯（ ）。）。 滑移面是同時包括位錯線和滑移滑移面是同時包

55、括位錯線和滑移 矢量的平面，刃型位錯的位錯線和矢量的平面，刃型位錯的位錯線和滑移矢量互相垂直，一個刃型位錯所構(gòu)成的滑移平面只有一個；滑移矢量互相垂直，一個刃型位錯所構(gòu)成的滑移平面只有一個； 畸變區(qū)的原子平均能量較大，但只是一個有幾個原子間距寬、狹長畸變區(qū)的原子平均能量較大，但只是一個有幾個原子間距寬、狹長的管道，因此是線缺陷。的管道，因此是線缺陷。第三章晶體的結(jié)構(gòu)缺陷H2、螺型位錯（、螺型位錯（screw dislocation）螺型位錯：螺型位錯：位錯附近的原子是位錯附近的原子是按螺旋形排列的。按螺旋形排列的。位錯線位錯線（bbbb）：已滑移區(qū)已滑移區(qū)和未滑移區(qū)的分界線。和未滑移區(qū)的分界線。

56、畸變區(qū)畸變區(qū)（aabbaabb）：約幾約幾個原子間距寬、上下層原子位個原子間距寬、上下層原子位置不相吻合的過渡區(qū)，原子的置不相吻合的過渡區(qū)，原子的正常排列遭破壞。正常排列遭破壞。螺型位錯也螺型位錯也是線缺陷。是線缺陷。 bbaa 第三章晶體的結(jié)構(gòu)缺陷H螺型位錯（螺型位錯（screw dislocation）的特點）的特點E 無額外半原子面，原子錯排呈軸對稱；無額外半原子面，原子錯排呈軸對稱；E 位錯線附近原子旋轉(zhuǎn)方向不同，分右位錯線附近原子旋轉(zhuǎn)方向不同，分右旋和左旋螺型位錯；旋和左旋螺型位錯；E 位錯線與滑移矢量平行，因此一定是位錯線與滑移矢量平行，因此一定是直線；位錯線的移動方向與晶體滑移方

57、直線；位錯線的移動方向與晶體滑移方向互相垂直；向互相垂直；E 純螺型位錯的滑移面不是唯一的；一純螺型位錯的滑移面不是唯一的；一般，位錯在原子密排面上進行；般，位錯在原子密排面上進行；E 螺型位錯周圍的點陣發(fā)生彈性畸變，只有切應(yīng)變，無正應(yīng)變。螺型位錯周圍的點陣發(fā)生彈性畸變，只有切應(yīng)變，無正應(yīng)變。第三章晶體的結(jié)構(gòu)缺陷H3、混合位錯（、混合位錯（ mixed dislocation ）特點：一種更為普遍特點：一種更為普遍的位錯形式，其滑移的位錯形式，其滑移矢量既不平行也不垂矢量既不平行也不垂直于位錯線，而與位直于位錯線，而與位錯線相交成任意角度。錯線相交成任意角度?？煽醋魇强煽醋魇侨行臀诲e和刃型位錯

58、和螺型位錯的混合形式。螺型位錯的混合形式。刃型位錯刃型位錯螺型位錯螺型位錯第三章晶體的結(jié)構(gòu)缺陷H混合位錯（混合位錯（mixed dislocation）的特點）的特點 混合位錯線是一條曲線；混合位錯線是一條曲線； 位錯線不能終止于晶體內(nèi)位錯線不能終止于晶體內(nèi)部，而只能露頭于晶體表面部，而只能露頭于晶體表面（晶界）；（晶界）； 位錯線若終止于晶體內(nèi)部，位錯線若終止于晶體內(nèi)部，則必與其他位錯線相連接，則必與其他位錯線相連接，或形成封閉的位錯環(huán)?；蛐纬煞忾]的位錯環(huán)。第三章晶體的結(jié)構(gòu)缺陷H柏氏矢量柏氏矢量(Burgers vector)柏氏矢量柏氏矢量 b: 用于表征用于表征不同類型位錯的特征不同類型

59、位錯的特征的一個物理參量，是的一個物理參量，是決定晶格偏離方向與決定晶格偏離方向與大小的向量，可揭示大小的向量，可揭示位錯的本質(zhì)，是位錯的本質(zhì)，是1939年柏格斯年柏格斯(J.M. Burgers）提出采用柏氏回路來提出采用柏氏回路來定義的。定義的。 第三章晶體的結(jié)構(gòu)缺陷H柏柏 氏氏 矢矢 量量 的的 確確 定定1 1）選定位錯線的正向）選定位錯線的正向2 2）在實際晶體中，從任一原）在實際晶體中，從任一原子出發(fā)，圍繞位錯以一定子出發(fā)，圍繞位錯以一定的部數(shù)作一右旋閉合回路；的部數(shù)作一右旋閉合回路； 3) 3) 在完整晶體中按同樣方法在完整晶體中按同樣方法和部數(shù)作相應(yīng)的回路，該和部數(shù)作相應(yīng)的回路

60、，該回路不閉合，由終點向起回路不閉合，由終點向起點引點引 一矢量一矢量b b，使該回路，使該回路閉合。矢量閉合。矢量b b就是該位錯就是該位錯的柏氏矢量。的柏氏矢量。 刃型位錯刃型位錯柏氏矢量柏氏矢量螺型位錯螺型位錯柏氏矢量柏氏矢量有缺陷無缺陷第三章晶體的結(jié)構(gòu)缺陷H位錯的運動位錯的運動 Dislocation motion位錯運動是位錯的重要性質(zhì)之一，它與晶體的力學性位錯運動是位錯的重要性質(zhì)之一，它與晶體的力學性能如強度、塑性、斷裂等密切相關(guān)。能如強度、塑性、斷裂等密切相關(guān)。位錯的運動方式主要是：位錯的運動方式主要是： 滑移滑移 （slip） 攀移攀移（climb）位錯的滑移（位錯的滑移（守恒