晶體缺陷對材料性能的影響現(xiàn)狀研究

晶體缺陷對材料性能的影響現(xiàn)狀研究摘要:在理想完整的晶體中，原子按照一定的次序嚴格的處在空間有規(guī)則的、周期性的格點上。但在實際晶體中，由于各種各樣的原因，原子排布不可能那樣完整和規(guī)則。這些與完整周期性點陣結(jié)構(gòu)的偏離就是晶體中的缺陷，它破壞了晶體的對稱性。同時缺陷的存在會對晶體產(chǎn)生或多或少的影響，本文著重研究了各類缺陷對材料性能的影響，收集了大量知名學(xué)者的研究成果，為之后的系統(tǒng)研究晶體缺陷奠定了基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：晶體缺陷；空位；材料性能EffectofcrystaldefectsonmaterialresearchAbstract:InanidealcompleteCrystalatomsaccordingtoacertainorderofstrictrulesinspace,periodiclattice.ButintheactualCrystal,duetovariousreasons,Atomicconfigurationscannotbesocompleteandrules.ThesecompletedeviationoftheperiodiclatticestructureisthedefectsintheCrystal,itdestroysthesymmetryoftheCrystal.Alsowillhavemoreorlesseffectoncrystaldefectsexist,thispaperfocusesontheinfluenceofdefectsonthepropertiesofmaterials,collectedalargenumberofwell-knownscholars'researchresults,laidthegroundworkforsystematicstudyoflatticedefects.Keywords:crystaldefects;vacancy;materialproperties晶體結(jié)構(gòu)中質(zhì)點排列的某種不規(guī)則性或不完善性。又稱晶格缺陷。表現(xiàn)為晶體結(jié)構(gòu)中局部范圍內(nèi)，質(zhì)點的排布偏離周期性重復(fù)的空間格子規(guī)律而出現(xiàn)錯亂的現(xiàn)象。根據(jù)錯亂排列的展布范圍,分為下列3種主要類型。(1)點缺陷，只涉及到大約一個原子大小范圍的晶格缺陷。它包括:晶格位置上缺失正常應(yīng)有的質(zhì)點而造成的空位;由于額外的質(zhì)點充填晶格空隙而產(chǎn)生的填隙；由雜質(zhì)成分的質(zhì)點替代了晶格中固有成分質(zhì)點的位置而引起的替位等(2)線缺陷—位錯位錯的概念1934年由泰勒提出到1950年才被實驗所實具有位錯的晶體結(jié)構(gòu)，可看成是局部晶格沿一定的原子面發(fā)生晶格的滑移的產(chǎn)物。滑移不貫穿整個晶格，晶體缺陷到晶格內(nèi)部即終止，在已滑移部分和未滑移部分晶格的分界處造成質(zhì)點的錯亂排列，即位錯。這個分界外，即已滑移區(qū)和未滑移區(qū)的交線，稱為位錯線。(3)面缺陷，是沿著晶格內(nèi)或晶粒間的某個面兩側(cè)大約幾個原子間距范圍內(nèi)出現(xiàn)的晶格缺陷。主要包括堆垛層錯以及晶體內(nèi)和晶體間的各種界面，如小角晶界、疇界壁、雙晶界面及晶粒間界等。晶體缺陷的產(chǎn)生原因有很多種，主要為在晶體生長過程中，由于溫度、壓力、介質(zhì)組分濃度等變化而引起的；有的則是在晶體形成后，由于質(zhì)點的熱運動或受應(yīng)力作用而產(chǎn)生。它們可以在晶格內(nèi)遷移，以至消失；同時又可有新的缺陷產(chǎn)生。晶體缺陷的存在對晶體的性質(zhì)會產(chǎn)生明顯的影響。實際晶體或多或少都有缺陷。適量的某些點缺陷的存在可以大大增強半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性和發(fā)光材料的發(fā)光性，起到有益的作用；而位錯等缺陷的存在，會使材料易于斷裂，比近于沒有晶格缺陷的晶體的抗拉強度，降低至幾十分之一。因為晶體缺陷對材料性能有很大的影響，故而國內(nèi)外對晶體缺陷的研究十分普遍，本文將對國內(nèi)外知名學(xué)者的研究結(jié)果進行匯總，為以后細致研究晶體缺陷奠定基礎(chǔ)。1晶體缺陷對材料性能的影響研究匯總李威等[1-6]研究了摻雜?吸附和空位缺陷對碳納米管導(dǎo)熱的影響,結(jié)果表明:與完整無缺陷碳納米管相比,摻雜?吸附和空位均會導(dǎo)致碳管熱導(dǎo)率顯著下降,以及碳管軸向溫度分布在缺陷處產(chǎn)生非線性的間斷性跳躍;缺陷類型對碳管熱導(dǎo)率的影響最大,管徑次之,管長影響相對最小;而空位?摻雜和吸附對碳管熱導(dǎo)率的影響力依次是減小的?于立軍等[7-10]對空位缺陷對CrSi2光電性能的影響進行了研究結(jié)論為：Cr和Si空位均使CrSi2的晶格常數(shù)和體積變小;能帶結(jié)構(gòu)密集而平緩,且整體向上移動;Si空位缺陷形成帶隙寬度為0.35eV的p型間接帶隙半導(dǎo)體,C空位缺陷在原禁帶間出現(xiàn)兩條新的能帶;含空位缺陷CrSi2的電子態(tài)密度仍主要由Cr3d層電子貢獻,Si空位缺陷對電子態(tài)密度的影響較小,Cr空位缺陷提高了Fermi面處的電子態(tài)密度;與CrSi2相比,含空位缺陷CrSi2的介電峰均向低能方向略有偏移且峰值降低,吸收系數(shù)明顯變小?姜躍進等[11]研究空位缺陷對PBG型THz光子晶體光纖（PBG-TPCF）的帶隙和泄漏損耗兩種特性的影響。計算表明空位缺陷都使PBG-TPCF的帶隙寬度減少并使中心頻率不同程度地上移；最低損耗點由于帶隙的移動作相應(yīng)的改變，并且泄露損耗變大。通過分析空位缺陷對帶隙和泄露損耗的影響，得出在包層比較多的情況下，空位缺陷離PBG-TPCF纖芯越遠對PBG-TPCF的影響越小。仿真結(jié)果表明空位缺陷在PBG-TPCF包層的第5層時及外圍層時對PBG-TPCF的影響將很小以至于可以忽略。雷天民等[12]基于密度泛函理論框架下的第一性原理，采用平面波贗勢方法分別計算了單層MoS2中Mo空位和S空位的形成能、空位附近的晶格畸MoS2層中的電子分布以及態(tài)密度(DOS)和能帶結(jié)構(gòu)。計算結(jié)果顯示，2種空位缺陷都具有點缺陷特征，其附近的電子分布呈現(xiàn)出明顯的局域化特點，且S空位比Mo空位更容易形成。通過與本征態(tài)MoS2電子結(jié)構(gòu)的對比分析，發(fā)現(xiàn)2種空位缺陷的存在對單層MoS2的電子結(jié)構(gòu)、尤其是對導(dǎo)帶高能量區(qū)域的能態(tài)密度會產(chǎn)生十分明顯的影響，這些影響可能與空位缺陷引入的缺陷能級有關(guān)。韓同偉等[13]采用Tersoff勢對完美的和含空位缺陷的單層石墨烯薄膜的單向拉伸力學(xué)性能進行了分子動力學(xué)模擬，分別研究了單個單原子空位缺陷和單個雙原子空位缺陷對扶手椅型和鋸齒型石墨烯拉伸力學(xué)性能及變形機制的影響。研究結(jié)果表明，單原子空位缺陷和雙原子空位缺陷對扶手椅型和鋸齒型石墨烯薄膜的楊氏模量沒有影響，但在一定程度上降低了拉伸強度和拉伸極限應(yīng)變，單原子空位缺陷和雙原子空位缺陷使拉伸強度降低幅度最高達8.10%和6.41%，并大幅度降低極限應(yīng)變。缺陷對石墨烯的拉伸變形破壞機制也有一定的影響。在外載作用下,新的缺陷的萌生位置均出現(xiàn)在空位缺陷附近。孫雷等[14-15]通過第一原理性贗勢法，我們研究了高自旋極化材料Fe3F4中A空位，B1空位以及B2空位對其磁電性能的影響。結(jié)果表明，產(chǎn)生A空位缺陷難B空位缺陷,變化越劇烈；鋸切末段切除層中的缺陷處具有更大的最大拉應(yīng)力。徐岳生等[25]通過化學(xué)腐蝕、金相顯微觀察、透射電子顯微鏡、掃描電鏡和X射線異常透射形貌等技術(shù)，研究了半絕緣砷化鎵單晶中的位錯和微缺陷，實驗發(fā)現(xiàn)用常規(guī)液封直拉法制備出的直徑大于或等于75mm的半絕緣砷化鎵單晶在晶體周邊區(qū)域，一般都有由高密度位錯的運動和反應(yīng)而形成的蜂窩狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并且位錯和微缺陷之間，有著強烈的相互作用，位錯吸附微缺陷，微缺陷綴飾位錯。趙年順等[26]采用基于時域有限差分技術(shù)的數(shù)值模擬計算和時間耦合模理論，研究了引入Kerr非線性的光子晶體缺陷對的非對稱透射特性，側(cè)重于找到提高缺陷對的最大透射率及透射對比度的方法。結(jié)果表明，這種由2個不同尺寸但具有相同諧振頻率的缺陷對組成的結(jié)構(gòu)具有單向透射特性，理論分析也驗證了數(shù)值模擬結(jié)果，并且適當錯開兩缺陷共振頻率的位置，可以使缺陷對結(jié)構(gòu)的最大透射率及透射對比度都有很大的提高。崔懷洋等[27-29]對Fe-30%Ni合金和超低碳貝氏體鋼在高溫進行不同方式變形和保溫，通過變形、回復(fù)、與再結(jié)晶，獲得不同的晶體缺陷數(shù)量與構(gòu)型(主要是位錯分布形態(tài))。用硼徑跡顯微照相技術(shù)研究了空冷過程中硼向晶界的非平衡偏聚及與不同形態(tài)晶體缺陷的關(guān)系。結(jié)果表明，在再結(jié)晶新晶粒冷卻時晶界偏聚明顯，晶界附近會出現(xiàn)較顯著的貧硼現(xiàn)象，而變形并回復(fù)后的原始晶粒中此現(xiàn)象不明顯，高溫回復(fù)階段形成的多邊形化亞晶界(位錯墻)對冷卻時硼向晶界非平衡偏聚過程有明顯影響，而剛變形時形成的高密度離散分布的位錯對冷卻時翻非平衡偏聚過程作用不明顯，硼原子偏聚過程與位錯的相互作用對位錯分布的形態(tài)敏感。張克從[30]就下列問題做概括而示性闡述:晶體對稱性與其宏觀物理性能間的聯(lián)系，晶體中的電子與離子輸運；晶體結(jié)構(gòu)與其電學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)和力學(xué)等性能的關(guān)系；晶體的結(jié)構(gòu)缺陷與其結(jié)構(gòu)敏感性能以及探索新晶體材桿的有效途徑等問題。于進喜等[31-36]就黃鐵礦晶體結(jié)構(gòu)中因存在缺陷，會導(dǎo)致其表面氧化反應(yīng)機理與過程發(fā)生改變，影響表面性質(zhì)，從而改變它的浮選行為。從微觀晶體結(jié)構(gòu)角度出發(fā)，通過研究結(jié)構(gòu)中缺陷的存在與擴散規(guī)律，探討了它對黃鐵礦表面氧化的影響機理。同時，通過XPS測試技術(shù)研究了氧化表面元素的存在形式，分析了其對表面性質(zhì)的影響。結(jié)果表明：O2分子不直接參與化學(xué)反應(yīng)，而是由HO2與OH自由基捕獲電子發(fā)生化學(xué)吸附的；氧化膜內(nèi)缺陷與帶電粒子在化學(xué)位和電化學(xué)位梯度的雙重作用下發(fā)生定向遷移，促使氧化反應(yīng)持續(xù)進行，導(dǎo)致黃鐵礦表面親水性增強。X光電子能譜(XPS)分析結(jié)果，證實了推斷的氧化機理的正確性。劉其城[37-38]的研究表示石黑晶體中存在著各種類型的缺陷，在非真空條件下，石墨晶體將自發(fā)地吸收和鑲嵌各種氣體分子和原子，這一現(xiàn)象在其晶體表面尤為突出，特別是能使被吸附物在石墨表面形成一層以化學(xué)吸附為主的薄膜，從而大大降低石墨的摩擦系數(shù)。王弘等[39-41]研究α—AIPO4晶休中缺陷對壓電振子電性能的影響。結(jié)果表明，晶片中存在包裸體，特別是氣液包裸體和電雙晶，則壓電振子的動態(tài)電陣R：變大，機械品質(zhì)因子Qm降低。而這些缺陷村振子傾率常數(shù)沒有影響。張映斌等[42-44]研究表示多晶硅太陽能電池組件以它顯著的綜合成本優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用。鑄錠多晶硅的晶體缺陷特征與其電池轉(zhuǎn)換效率有著強烈的關(guān)聯(lián)性。晶體的底部和頂部缺陷密度高，對應(yīng)的電池轉(zhuǎn)換效率低(14.5～15.5%)；晶體中部因為較低的缺陷密度，對應(yīng)著較高的電池轉(zhuǎn)換效率(16.5～17.5%)。同種類的晶體缺陷對電池效率的影響又不盡相同，比如位錯等頑固性缺陷會保留至終，而間隙態(tài)金屬雜質(zhì)等可去除的缺陷則會在電池制備過程中得以消除。陳建華[45-46]利用基于密度泛函理論的第一性原理贗勢方法，計算含有硫空位和鉛空位的方鉛礦的電子結(jié)構(gòu)，并討論空位缺陷對方鉛礦可浮性的影響。計算結(jié)果表明，鉛空位缺陷使方鉛礦費米能級降低,帶隙變窄；而硫空位缺陷則使方鉛礦費米能級升高，帶隙變寬，同時，方鉛礦的半導(dǎo)體類型由p型變?yōu)閚型?？瘴蝗毕菀鸬碾姾刹季訑?shù)變化改變晶體中電子運動的狀態(tài)，從而影響方鉛礦的浮選行為。崔風平[47-48]對斷面中心有裂紋缺陷的鑄坯進行了探測和解剖分析，并對軋制后鋼板進行探傷，依照探傷圖譜，選擇分層缺陷明顯的部位，用掃描電鏡等對其金相組織、缺陷形態(tài)和微區(qū)成分進行分析，得出分層部位的缺陷組織主要為沿軋向分布的鐵素體帶，在其內(nèi)部沿軋向分布有條狀或片狀硫化物，是中厚板分層產(chǎn)生的主要原因。通過分析得出軋制時鑄坯內(nèi)部焊合及修復(fù)的邊界條件：硫化物尺寸控制在5μm以下，硫含量降低到0.02%以下。參考文獻：[1]李威,馮妍卉,張欣欣,等.摻雜?吸附和空位缺陷對碳納米管導(dǎo)熱的影響[J].化工學(xué)報,2012,5:75-83.[2]HoneJ,WhitneyM,PiskotiC,ZettlA.Thermalconductivityofsingle–walledcarbonnanotubes[J].PhysicalReviewB,1999,59(4):2514-2516[3]BerberS,KwonYK,TománekD.Unusuallyhighthermalconductivityofcarbonnanotubes[J].PhysicalReviewLetters,2000,84(20):4613-4616[4]CheJianwei,IiiWAG.Thermalconductivityofcarbonnanotubes[J].Nanotechnology,2000,11(11):65-69[5]MaruyamaS.Amoleculardynamicssimulationofheatconductionofafinitelengthsingle-walledcarbonnanotube[J].NanoscaleandMicroscopeThermophysicalEngineering,2003,7(1):41-50[6]RuoffRS,LorentsDC.Mechanicalandthermalpropertiesofcarbonnanotubes[J].Carbon,1995,33(7):925-930[7]于立軍,張春紅,張忠政,等.空位缺陷對CrSi2光電性能的影響[J].吉林大學(xué)學(xué)報,2015,5:561-566.[8]BostMC,MahanJE.AnInvestigationoftheOpticalConstantsandBandGapofChromiumDisilicide[J].JApplPhys,1988,63(3):839-844.[9]BorisenkoVE.SemiconductingSilicides[M].Berlin:Springer-Verlag,2000.[10]GalkinNG,VelichkoTA,SkripkaSV,etal.SemiconductingandStructuralPropertiesofCrSi2A-TypeEpitaxialFilmsonSi(111)[J].ThinSolidFilms,1996,280(1):211-220.[11]姜躍進,施偉華,趙巖,等.空位缺陷對PBG型THz光子晶體光纖特性的影響[J].光線光纜,2010,2.[12]雷天民,吳勝寶,張玉明,等.空位缺陷對單層MoS2電子結(jié)構(gòu)的影響[J].稀有金屬材料與工程.2015,3.[13]韓同偉,賀鵬飛,王健,等.空位缺陷對單層石墨烯薄膜拉伸力學(xué)性能的影響[J].同濟大學(xué)學(xué)報.2010,8.[14]孫雷,董會寧,劉俊,等.空位缺陷對高自旋極化材料Fe3F4磁電性能的影響[J].重慶郵電大學(xué)學(xué)報.2007,12.[15]FONGCY,QIANMC,PASKJEetal.Thecomputationaldesignofzinc-blendehalf-metalsandtheirnanostructures[J].Appl.Phys.Lett.,2004,84(2):239-241.[16]藍麗紅,陳建華,李玉瓊,等.空位缺陷對氧分子在方鉛礦(100)表面吸附的影響[J].中國有色金屬學(xué)報.2012,9.[17]陳建華,王檑,陳曄,等.空位缺陷對方鉛礦電子結(jié)構(gòu)及浮選行為影響的密度泛函理論[J].中國有色金屬學(xué)報,2010,20(9):1815?1821.[18]李玉瓊,陳建華,陳曄.空位缺陷黃鐵礦的電子結(jié)構(gòu)及其浮選行為[J].物理化學(xué)學(xué)報,2010,5.[19]董建敏,李華,陳麗,等.間隙原子氮對化合物RE2Fe17磁性的影響[J].中國稀土學(xué)報,2003,8.[20]CallawayJ,WangCS.Energybandsinferromagneticiron[J].Phys.Rev.,1977,B16(5):2095.[21]吳菊環(huán),何其平,唐雷,等.熱軋板剪切斷面中心線缺陷成因分析及其對有關(guān)性能的影響[J].四川冶金.[22]徐海光.連鑄板坯中心裂紋缺陷對鋼板質(zhì)量影響的研究.昆明鋼鐵公司,1996,5.[23]焦揚,高玉飛,畢文波,等.KDP晶體缺陷對線鋸切割應(yīng)力分布的影響[J].人工晶體學(xué)報.2013,11.[24]張艷珍,孫洵,蔣曉東,等.KDP晶體體缺陷和損傷的觀測方法研究［J］．人工晶體學(xué)報，2006，35(3):546-549．[25]徐岳生,張春玲,劉彩池,等.半絕緣砷化鎵單晶中的晶體缺陷[J].半導(dǎo)體學(xué)報.2003,7.[26]趙年順,蔡旭紅,等.非線性光子晶體缺陷對單向透射特性研究[J].汕頭大學(xué)學(xué)報.2010,11.[27]崔懷洋,賀信菜,等.晶界非平衡偏聚與晶體缺陷構(gòu)型的關(guān)系[J].金屬學(xué)報.1999,3.[28]AustKT.HannemanRE.NicessecnP,WestbrookJK.ActaMetall,1968;16:291.[29]WilliamsTH,StonehamAM,HarriesDR,MaterSci,1976;10:14.[30]張克從.晶體結(jié)構(gòu)與其性能的關(guān)系及新晶體材料的發(fā)展[J].人工晶體.1986,6.[31]于進喜,劉文禮,張彥軍,等.晶體缺陷對黃鐵礦表面氧化以及浮選行為的影響[J].中國礦業(yè).2013,5.[32]張玉,楊志雙,張瑛,等.本溪南芬鐵礦排土場滑坡穩(wěn)定性研究[J].地質(zhì)與資源,2008,17(1):50-53.[33]何滿潮.滑坡地質(zhì)災(zāi)害遠程監(jiān)測預(yù)報系統(tǒng)及其工程應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2009,28(6):1081-1090.[34]HEManchao,TAOZhigang,Zhangbin.ApplicationofremotemonitoringtechnologyinlandslidesintheLuoshanminingarea.MiningScienceandTechnology,2009,19(5):609-614.[35]陶志剛,張斌,何滿潮.羅山礦區(qū)滑坡災(zāi)害發(fā)生機制與監(jiān)測預(yù)警技術(shù)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2011,30(Supp.1):2931-2937.[36]CasesJM,KongoloM,DonatoP.InteractionbetweenFinelyGroundGalenaandPyritewithPotassiumAmylxathateinRelationtoFlotation.InfluenceofgrindingatNaturalPH.InternationalJouranalofMineralandProcessing[J].1990(30):35-67.[37]劉其城,夏金童,周聲勱,等.石墨的晶體缺陷對其潤滑性的影響[J].炭素技術(shù),2000.[38]宋正芳.炭石墨制品的性能及應(yīng)用[J].北京：機械工業(yè)出版社,19