固體物理-缺陷

1、班級成績學(xué)號 第十二章 晶體中的缺陷(crystal defect)姓名一、簡要回答下列問題(answer the following questions):1、為什么形成一個肖特基缺陷所需能量比形成一個弗侖克爾缺陷所需能量低？答形成一個肖特基缺陷時，晶體內(nèi)留下一個空位，晶體表面多一個原子。因此形成 一個肖特基缺陷所需的能量，可以看成晶體表面一個原子與其他原子的相互作用能，和 晶體內(nèi)部一個原子與其他原子的相互作用能的差值。形成一個弗侖克爾缺陷時，晶體內(nèi)留下一個空位，多一個填隙原子。因此形成一 個弗侖克爾缺陷所需的能量，可以看成晶體內(nèi)部一個填隙原子與其他原子的相互作用 能，和晶體內(nèi)部一個原子與其

2、他原子的相互作用能的差值。填隙原子與相鄰原子的距離非常小，它與其他原子的排斥能比正常原子間的排斥 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負(fù)值，所以填隙原 子與其他原子的相互作用能的絕對值，比晶體表面一個原子與其他原子的相互作用能的 絕對值要小。也就是說，形成一個肖特基缺陷所需能量比形成一個弗侖克爾缺陷所需能量要低。2、什么是刃位錯與螺位錯？它們各有什么特征？答當(dāng)晶格周期性的破壞發(fā)生在晶體內(nèi)部一條線的周圍則稱為線缺陷，通常又稱之 為位錯。刃位錯：亦稱棱位錯。其特點(diǎn)是：原子的滑移方向與位錯線的方向相垂直。晶體中有中斷的原子面。螺位錯的特點(diǎn)是：原子的滑移方向與位錯線平行，且晶體

3、內(nèi)沒有多余的半個晶面。垂直于位錯線的各個晶面可以看成由一個晶面以螺旋階梯的形式構(gòu)成。3、何為小角晶界？這種缺陷是面缺陷還是線缺陷？答具有完整結(jié)構(gòu)的晶體兩部分彼此之間的取向有著小角度9的傾斜，在角。里的 部分是由少數(shù)幾個多余的半晶面所組成的過渡區(qū)，這個區(qū)域稱小角晶界。這種缺陷是面缺陷。二、解釋下列物理概念(explain the following physics concepts):1、缺陷缺陷一一晶體中的缺陷表征對晶體理想的周期結(jié)構(gòu)的任何形式的偏離。2、空位與填隙原子空位一一晶體內(nèi)部的空格點(diǎn)就是空位。由于晶體中原子熱運(yùn)動，某些原子振動劇烈而脫離格點(diǎn)跑到表面上，在內(nèi)部留下 了空格點(diǎn)，即空位。填

4、隙原子一一由于晶體中原子的熱運(yùn)動，某些原子振動劇烈而脫離格點(diǎn)進(jìn)入晶格中 的間隙位置，形成了填隙原子。即位于理想晶體中間隙中的原子。3、肖特基缺陷和弗侖克爾缺陷弗侖克爾缺陷一一若晶體中的空位與填隙原子的數(shù)目相等，這樣的熱缺陷稱為弗侖 克爾缺陷(Frenkel defect)。肖特基缺陷一一僅由空位構(gòu)成的缺陷稱之為肖特基缺陷(Schottky defect)。4、位錯位錯一一由于受應(yīng)力作用，晶體的一部分相對另一部分滑移，結(jié)果發(fā)生晶格原子排 列的“錯亂”，稱為位錯。滑移區(qū)與未滑移區(qū)的交線(排列錯亂處)稱為位錯線。5、替位式雜質(zhì)替位式雜質(zhì)一一是用雜質(zhì)原子代替基本原子的位置，以改變材料的性質(zhì)。6、色心色

5、心一一能吸收光的點(diǎn)缺陷稱為色心。典型的色心是F心、V心，此外還有R心、M 心、N心等。三、假設(shè)把一個Na原子從Na晶體中移到表面上所需的能量為1eV，計算室溫時肖特 基缺陷的濃度。解對于肖特基缺陷，在單原子晶體中空位數(shù)為n Ne - U.1/ kBT1其中：N是原子數(shù)，u1是將一個原子由晶體內(nèi)的格點(diǎn)移到表面所需的能量取室溫T=300 K,則可得出室溫時肖特基缺陷的相對濃度為nL = e -u / kJNexp(-1.6 X 10-19 ) e -38.6 1.32 X10-23 X 300=1.72 X10 -17四、在離子晶體中，子空位的對數(shù)由于電中性的要求，肖特基缺陷都是成對地出現(xiàn)，令n代

6、表正負(fù)離E是形成一對肖特基缺陷所需的能量，N是整個晶體中正負(fù)離子對的數(shù)目，證明n = Ne - e/2 kpT證明由N個正離子中取出n個正離子形成n個空位的可能方式數(shù)為W =1(N 一 n)!n!同樣，由N個正離子中取出n個負(fù)離子形成n個空位的可能方式數(shù)也為w =2(N 一 n)!n!因此，在晶體中形成n對正、負(fù)空位的可能方式數(shù)為w = ww12=N 2(N 一 n)!n!與無空位時相比，晶體熵的增量為、N!AS = kB In W = 2kB In)若不考慮空位的出現(xiàn)對離子振動的影響，晶體的自由能為F = F + nE 一 TAS = F + nE 一 2k T InN!，00B(N n)!n!其中F是只與晶體體積有關(guān)的自由能。利用平衡條件(dF) = 0以及斯特林公式ln N!= Nln N 一 N - Nln Ndn得(竺)=E - 2k T N In N - (N