高二物理競賽晶格缺陷的主要類型課件

第四章

晶體中的缺陷和擴散§1、

晶格缺陷的主要類型一、

點缺陷點缺陷：定域在格點附近一個或幾個晶格常數(shù)范圍內(nèi)偏離晶格周期性的結(jié)構(gòu)稱為點缺陷1.

空位（Schottky缺陷）EA二、

線缺陷?刃位錯：?螺位錯：BF三、面缺陷常見的面缺陷：晶粒間界、攣晶界、小角晶界和層錯等層錯：晶體中的某個原子層發(fā)生堆積錯誤fcc

晶體中的正常堆積次序：

···ABCABC

···fcc

晶體中的層錯:

···ABCABABC

···體缺陷，如：

空洞、氣泡和包裹物等§4.2

熱缺陷一、

熱缺陷的平衡數(shù)目由熱力學可知，在等溫過程中，當熱缺陷數(shù)目達到平衡時，系統(tǒng)的自由能取極小值：

01.

空位的平衡數(shù)目晶體中原子總數(shù)：

N形成一個空位所需能量：u1晶體中所形成的空位數(shù):

n1

（N>>

n1

）TT由于晶體中出現(xiàn)空位，

系統(tǒng)自由能的改變：

F

U

T

S1

1S

kB

lnW

，

W：系統(tǒng)可能出現(xiàn)的微觀狀態(tài)數(shù)晶體中沒有空位時，系統(tǒng)原有的微觀狀態(tài)數(shù)為W0，由于出現(xiàn)空位，

系統(tǒng)的微觀狀態(tài)數(shù)增加W1，假設W0和W1相互獨立，有：

W＝W0

W1

U

nu0

B

B

0B11

1

B

1

1

1

B

N

!n1

!1

N

n1

N

!n1

!

F

n

u

k

TlnW

n

u

k

Tln

N

n1

!于是有

B

1在N+n1個原子位置中出現(xiàn)n1個空位，

其微觀狀態(tài)數(shù)為：W

Cn1

N

n1!

S

S

S

k

lnW

k

lnW

k

lnW

S

k

lnW

F

0達到平衡時利用Stirling公式，

當x很大時，有：

lnx

!lnx

F

u1

kB

T

ln

N

n1

lnn1

0

n1

u1

u

N

n1

exp

kB

T

QN

n1

n1

N

exp

kB

T12.

間隙原子的平衡數(shù)目晶體中間隙原子位置的總數(shù)：

N’形成一個間隙原子所需能量：u2平衡時晶體中的間隙原子數(shù)：

n2

（設n2

<<

N’）在一定溫度下，間隙原子的平衡數(shù)目為：

u

n2

N

exp

kB

T2同理，可求出晶體中Frenkel缺陷的平衡數(shù)目為：nf

exp

其中，nf

＝n1

＝n2

，uf＝u1

＋u2為形成一個Frenkel缺陷所需的能量。由于u1

<

u2

，uf

，所以，在一般情況下，空位是晶體中主要的熱缺陷。二、

熱缺陷的運動1.

空位的運動E1

：空位運動所需越過的勢壘E1

E1

E

或

t

1

t10

exp

kB

t1

：空位每跳一步所需等待的時間t10

＝1/n10

：原子的振動周期T1n1

：

空位越過勢壘向鄰近位置運動的頻率n10

：空位試圖越過勢壘的頻率

（原子振動頻率）空位運動的頻率：

n

1

n10

exp

k

T

BB2.

間隙原子的運動

E2

n

2

n20

exp

kB

T

E2

：

間隙原子運動所需克服的勢壘n20

：間隙原子試圖越過勢壘的頻率

（間隙原子振動頻率）

E2

t2

：

間隙原子每跳一步所需等待的時間t20

：間隙原子的振動周期t

2

t

20

exp

kB

T

擴散過程必須滿足連續(xù)性方程：

ja

D

n

若擴散系數(shù)與濃度無關(guān)，有

n

2

t——

Fick第二定律

D

n0

擴散方程：

n

D

n

t

x2初始條件：

n

x