1、晶體結構晶體結合晶格振動晶體缺陷晶體缺陷金屬自由電子論固體能帶論針對晶態物質的傳統固體物理內容針對晶態物質的傳統固體物理內容晶體缺陷對固體的一些重要性質往往起著決定性的作用，但晶體缺陷對固體的一些重要性質往往起著決定性的作用，但是是“晶體缺陷晶體缺陷”在傳統固體物理內容中占據相對獨立的位置。在傳統固體物理內容中占據相對獨立的位置。其他第三篇第三篇只有在熱平衡條件下晶體中才具有穩定的或可確定的熱缺陷數目，才有可能和必要對其數目進行統計計算。3.1 定義和分類：定義和分類： 所有與晶體結構嚴格三維周期排列的偏離都可以被所有與晶體結構嚴格三維周期排列的偏離都可以被認為是晶體缺陷或不完整性，實際晶體都

2、是有缺陷認為是晶體缺陷或不完整性，實際晶體都是有缺陷的不完整晶體。的不完整晶體。按照尺度、維度可以將晶體缺陷劃分為：按照尺度、維度可以將晶體缺陷劃分為：點缺陷（零維）：空位；間隙原子；雜質；錯位點缺陷（零維）：空位；間隙原子；雜質；錯位線缺陷（一維）：刃型位錯，螺旋位錯線缺陷（一維）：刃型位錯，螺旋位錯面缺陷（二維）：小角晶界，堆垛層錯面缺陷（二維）：小角晶界，堆垛層錯體缺陷（三維）：多晶晶粒間界，空洞，包藏物，異相物等體缺陷（三維）：多晶晶粒間界，空洞，包藏物，異相物等缺陷的來源：缺陷的來源：u晶體在生成過程中或在合金化過程中攜帶的或晶體在生成過程中或在合金化過程中攜帶的或有意摻入的雜質或生

3、成的缺陷；有意摻入的雜質或生成的缺陷；u晶體在加工和使用過程中產生的缺陷（主要指晶體在加工和使用過程中產生的缺陷（主要指位錯）；位錯）；u受電子束離子束強輻照后產生的缺陷；受電子束離子束強輻照后產生的缺陷；u原子自身熱運動所產生的缺陷，后者即使在沒原子自身熱運動所產生的缺陷，后者即使在沒有雜質的理想配比的晶體中也是存在的，所以有雜質的理想配比的晶體中也是存在的，所以又稱本征缺陷。又稱本征缺陷。注意注意：除了上述缺陷外，還有許多元激發，如反映晶格振動的聲子等，除了上述缺陷外，還有許多元激發，如反映晶格振動的聲子等，有人也把它們歸入晶格不完整性范疇，不過這里我們只限于討論上述有人也把它們歸入晶格不

4、完整性范疇，不過這里我們只限于討論上述（靜止）缺陷問題。關于各種元激發的討論將分散在各章中進行（靜止）缺陷問題。關于各種元激發的討論將分散在各章中進行。研究缺陷的意義：研究缺陷的意義： 按嚴格周期性模型給出的理論結果和實際晶體按嚴格周期性模型給出的理論結果和實際晶體的測量結果之間總會存在一些差別，的測量結果之間總會存在一些差別，對實際晶體中對實際晶體中存在的缺陷分析將幫助我們解釋產生這些差異的原存在的缺陷分析將幫助我們解釋產生這些差異的原因。因。 另一方面，晶體中的缺陷對許多重要的晶體性另一方面，晶體中的缺陷對許多重要的晶體性質可能會起著支配作用質可能會起著支配作用 ，有時侯基質晶體反而僅僅，

5、有時侯基質晶體反而僅僅只需要作為缺陷的載體看待即可，只需要作為缺陷的載體看待即可，研究缺陷的性質研究缺陷的性質和運動才是解釋這些性質的關鍵。和運動才是解釋這些性質的關鍵。比如：半導體的比如：半導體的導電率；許多晶體的顏色和光學性質；晶體中的原導電率；許多晶體的顏色和光學性質；晶體中的原子擴散，力學性質和范性形變等。子擴散，力學性質和范性形變等。特別是金屬和合特別是金屬和合金的強度和范性形變理論就是建立在對位錯了解的金的強度和范性形變理論就是建立在對位錯了解的基礎上，它已是固體研究的一個獨立學科了基礎上，它已是固體研究的一個獨立學科了。理論理論意義意義實際實際意義意義晶格缺陷的主要類型一、點缺陷

6、定域在格點附近一個或幾個晶格常數范圍內偏離晶格周期性的結構稱為點缺陷，如空位、間隙原子、雜質原子等，點缺陷也能集合在一起形成缺陷的復合體。1. 空位（Schottky缺陷）原子脫離正常格點位置移動到晶體表面的正常格點位置，從而在原格點位置留下一個空格點，這種點缺陷稱為空位。在一定的溫度下，晶體內部的空位和表面上的原子處于平衡。2. Frenkel缺陷原子脫離正常格點位置進入了間隙位置，形成一個空位和一個間隙原子。我們將這種空位間隙原子對稱為Frenkel缺陷。在Frenkel缺陷中，空位與間隙原子總是成對出現的。在一定溫度下，缺陷的產生和復合的過程相平衡。形成Frenkel缺陷時，原子從正常格

7、點跳到格點與格點間的間隙位置，其周圍原子必然受到相當大的擠壓。因此，從直觀看，形成一個Frenkel缺陷要比形成一個空位所需的能量大些，因而也更難些。Frenkel缺陷和Schottky缺陷都是由于晶格振動（熱運動）而產生的稱為熱缺陷，且為本征缺陷（固有原子缺陷）。雜質缺陷本征缺陷（熱缺陷）：本征缺陷（熱缺陷）： 空位式缺陷，又稱肖特基（肖特基（Schottky） 缺陷缺陷 填隙式缺陷，又稱弗侖克爾（弗侖克爾（Frenkel） 缺陷缺陷外來缺陷：外來缺陷： 替位式原子（如同位素原子、雜質和摻雜原子等) 間隙式原子（如雜質和摻雜原子）無序缺陷：無序缺陷： 換位式缺陷（不同原子的偶爾換位）3.間隙

8、原子如果一個原子從正常表面位置擠進完整晶格中的間隙位置，則稱為間隙原子。在一定的溫度下，這些填隙原子和晶體表面上的原子處于平衡狀態。當外來的雜質原子比晶體本身的原子為小時，這些比較小的外來原子很可能存在于間隙位置。4.有序合金中的錯位有序合金中格點上原子的排列發生錯位。ABABBABAAABBBBAAAABB5. 雜質原子（雜質缺陷）當晶體中的雜質以原子狀態在晶體中形成點缺陷時，稱為雜質原子。如果雜質原子取代了晶體中原子所占的格點位置，稱之為替位式雜質原子；若雜質原子進入晶格中的間隙位置，稱為填隙式雜質原子。K Cl K Cl KCl K Cl K Cl K Cl K Cl KCl K Cl

9、K ClK Cl K Cl KCl K Cl K Cl Ca2離子晶體中的點缺陷是帶電中心，若高價雜質離子取代了低價離子進入晶格后，由于要保持電中性，它可取代不止一個離子，形成缺位式雜質。在偏離理想狀態的固體點缺陷中，除了熱運動引起的本征點缺陷之外，其余都為雜質點缺陷。6.缺陷團不同的點缺陷之間存在復雜的相互作用。例如，單個空位傾向于互相吸引；間隙原子吸引空位，產生復合現象；空位和間隙原子還能與不同類型的雜質相互作用，可以相斥或者相吸。如有足夠數量的缺陷，這類相互作用將導致缺陷聚集形成缺陷團。鹵化堿晶體中的離子空位和空位復合體7. 色心在離子晶體中，還有一種特殊的點缺陷色心。由于離子晶體中的點

10、缺陷是帶有效電荷的帶電中心，它可束縛電子或空穴。晶體中的光吸收使這些電子或空穴激發，其吸收帶落在可見光范圍，因而，光吸收使原來透明的晶體出現了不同的顏色，我們將與吸收帶對應的吸收中心稱為色心（如F心是一個鹵素負離子空位加上一個被束縛在其庫侖場中的電子）。產生色心的方法很多，如將NaCl晶體放在Na金屬蒸氣中加熱，然后再驟冷至室溫，就可使原無色的晶體變成淡黃色。此外，色心還可以通過用X射線或 射線輻照、中子或電子轟擊晶體來產生。離子晶體中的肖特基缺陷離子晶體中的肖特基缺陷不含缺陷的不含缺陷的NaCl晶體晶體包含一對肖特基缺陷的包含一對肖特基缺陷的NaCl晶體晶體離子晶體中的弗侖克爾缺陷離子晶體中

11、的弗侖克爾缺陷包含兩個包含兩個Na+離子填隙弗侖克爾離子填隙弗侖克爾缺陷的缺陷的NaCl晶體晶體摻入二價元素后，在鹵化堿晶體中出現的空位摻入二價元素后，在鹵化堿晶體中出現的空位離子晶體中的替代式空位離子晶體中的替代式空位二、線缺陷 當晶格周期性的破壞是發生在晶體內部一條線的周圍近鄰，稱為線缺陷。晶體中的位錯是一種很重要的線缺陷。位錯影響著晶體的力學、電學、光學等方面的性質，并且直接關系到晶體的生長過程。所以，位錯是一種具有普遍意義的晶體缺陷（將單獨介紹）。 晶體遭受應力作用時，某些原子沿特征方向發生滑移，晶體中滑移區與非滑移區的交界線稱為位錯線。位錯線上的原子偏離了原來完整晶格的位置，即原子排

12、列發生畸變，這種畸變涉及位錯線附近的若干層原子，離中心越遠畸變越小，但它的直徑與位錯線的長度相比是很小的，故位錯屬于一種線缺陷。刃型位錯示意圖刃型位錯示意圖線缺陷線缺陷刃型位錯的結構。晶體中刃型位錯的結構。晶體中的形變可以看作是由于在的形變可以看作是由于在y軸的下半部分插入了一軸的下半部分插入了一片額外的原子面所產生。片額外的原子面所產生。這個原子面的插入使下半這個原子面的插入使下半部分晶體中的原子受到擠部分晶體中的原子受到擠壓，而使上半部分中的原壓，而使上半部分中的原子受到拉伸。子受到拉伸。EF刃位錯滑移部分滑移部分未滑移部分未滑移部分AB螺位錯滑移部分滑移部分未滑移部分未滑移部分滑移方向滑

13、移方向位錯線位錯線 位錯有兩種基本型：刃位錯（位錯線垂直于滑移的方向）和螺位錯（位錯線平行于滑移的方向）。在一般情況下，晶體中的位錯往往是這兩種基本型的混合（混合位錯）。螺旋位錯示意圖螺旋位錯示意圖 由于位錯線是已滑移區與未滑移區的邊界線。因此，位錯具有一個重要的性質，即一根位錯線不能終止于晶體內部，而只能露頭于晶體表面（包括晶界）。若它終止于晶體內部，則必與其它位錯線相連接，或在晶體內部形成封閉線。形成封閉線的位錯稱為位錯環。 晶體內部偏離周期性點陣結構的二維缺陷稱為面缺陷。常見的面缺陷有：晶粒間界（晶粒之間的邊界）、堆垛層錯、攣晶界和小角晶界（相互有小角度傾斜的兩部分晶體之間的區域，可以看

14、做是一系列刃位錯的相繼排列）等。 堆垛層錯是指構成晶體的原子平面的正常堆垛順序遭到破壞和錯排，如在面心立方晶體中，原子平面的正常堆垛順序為：ABCABC ，如出現 ABCABABC ，則我們說發生了層錯。三、面缺陷 此外，還有體缺陷，如：空洞、氣泡和包裹物等。面缺陷面缺陷晶體的表面實際上是最常見的面缺陷。晶體的表面實際上是最常見的面缺陷。層錯層錯是指晶體原子層的堆積發生錯誤，如在面心立方晶體（是指晶體原子層的堆積發生錯誤，如在面心立方晶體（fcc）中，）中，原子層的堆積次序為：原子層的堆積次序為：ABCABC ，如出現，如出現 ABCABABC ，就，就說發生了層錯。說發生了層錯。體缺陷體缺陷

15、SEM下金屬中的空洞。下金屬中的空洞。當空洞的形成源于晶體生當空洞的形成源于晶體生長過程中氣體的聚集時，長過程中氣體的聚集時，該類空洞常稱之為氣孔。該類空洞常稱之為氣孔。其他體缺陷還包括多晶材其他體缺陷還包括多晶材料中的晶粒間界，晶體中料中的晶粒間界，晶體中的包藏物、異相物等。的包藏物、異相物等。聯系與缺陷有關的若干現象晶體的有些性質對晶體中存在的少量缺陷是不敏感的，但是晶體的另外一些性質對低濃度的缺陷也是極其敏感的，這種性質稱為結構敏感性質。1.缺陷對晶格振動頻譜的影響。當晶體中存在缺陷時，在缺陷附近，原子間的彈性恢復力系數發生改變，晶格振動的頻譜分布也發生改變，出現局域模。2.缺陷的出現改

16、變晶格的自由能。晶格缺陷的產生需要能量。3.空位的出現引起晶體線度的變化。晶體一部分原子脫離正常格點位置而移到晶體表面，在原來的格點處形成空位，晶體的線度隨之變化。4.空格點的出現引起晶體密度的變化。5.晶格缺陷的出現引起比熱的“反常”。缺陷引起比熱“反常”。圖中所示的是AgBr晶體恒壓比熱Cp隨溫度變化的關系曲線 3.2 點缺陷及其運動點缺陷及其運動1熱平衡狀態下的點缺陷熱平衡狀態下的點缺陷 (黃昆書黃昆書12.3節節) )exp(kTWNnss)2exp() (21kTWNNnffSchottky 缺陷濃度Frenkel 缺陷濃度式中式中N為原子數，為原子數，N為間隙位置數目，為間隙位置數

17、目，Ws是將一個原子從晶體內部格是將一個原子從晶體內部格點上轉移到表面格點上所需要的能量，點上轉移到表面格點上所需要的能量，Wf為將一個原子從格點移到間為將一個原子從格點移到間隙位置所需要的能量。隙位置所需要的能量。Schottky缺陷濃度公式的推導：缺陷濃度公式的推導： 由熱力學可知，在等溫過程中，當熱缺陷數目達到平衡時，系統的自由能取極小值：0TFn!)(ssNnNnNnNCs！ 設晶體中原子的總數為N，在一定溫度下，形成一個空位所需的能量為Ws，設晶體中空位的數目為ns（N ns ） 由于晶體中出現空位，系統自由能的改變為： F UT S這里， U nsWs ，而根據統計物理： S kB

18、lnW其中W為系統新增加的微觀狀態數。 晶格中有ns個空位時，整個晶體將包含N+ns個格點。N個相同的原子將可以有種不同的排列方式，這將使熵增加。!)!(lnssBnNnNkS因而存在ns個空位時，自由能函數將改變：達到平衡時，應該有第一個等式中利用了斯特令公式：lnN! = NlnN - N (當N很大時)!)!(lnssBssnNnNTkWnSTUFNNnnnNnNnTkWnFsssssBsTslnln)ln()()exp(kTWNnss0)(lnssBsnnNTkW由此，并考慮到一般情況下由此，并考慮到一般情況下ns TE的情況下近似成立。當溫度下降時，空位的跳躍率隨溫度下降很快地降低，

19、以致在較低溫度下，空位幾乎不能移動，發生所謂的空位凍結。空位的跳躍率可以寫作：kTe/0其中其中0 0為空位相鄰原子的振動頻率，為空位相鄰原子的振動頻率，為空位移動所需克服的勢磊為空位移動所需克服的勢磊. 晶體中原子自擴散（或稱體擴散、晶格擴散）的微觀機構可概括為三種：空位機構、間隙原子機構和易位機構。1直接交換擴散（或稱易位機制）如相鄰直接交換擴散：指固體中原子依賴熱運動，使相鄰的兩個原子互換位置而產生擴散現象。但這樣簡單交換將在晶體中產生很大的瞬間畸變，原子遷移時需克服極大的擴散活化能（例如10eV），這樣擴散方式通常情況下是難以實現的。2空位擴散空位擴散是以空位為機制的擴散（擴散原子或離

20、子通過與空位互換位置進行遷移即原子的擴散過程是通過空位的遷移來實現的）空位擴散機制是材料中極為普遍的擴散方式（根據理論計算低于其他機制）。對材料中許多具體問題中的現象都與空位機制有關。3填隙擴散填隙擴散指一個原子由正常位置（格點位置）進入填隙位置，繼而由一個填隙位置進入相鄰填隙位置的擴散現象。形成填隙原子所需能量通常要高于空位形成能。以上三種方式均為晶體中自擴散或無規行走方式進行的擴散（基本假設：（類似布朗運動）原子躍遷幾率 與濃度或濃度梯度狀況無關。躍遷是完全自由的、無規的（即前一次躍遷與后一次躍遷無關，且向各個方向都可能。 晶體中原子的擴散與氣體中分子的擴散一樣，其本質也是粒子（包括原子、

21、離子和點缺陷）無規則的布朗運動。雜質在晶體中的擴散 雜質的擴散系數和晶體的自擴散系數，在數量級上就有差別。外來原子在晶體中存在的方式，可以是占據晶格的間隙位置，也可以替代原來的基本原子，而占據格點位置。實驗結果表明，如果外來原子的半徑比基本原子小得多，它們總是以填隙的方式存在于晶體中，并且它們也以填隙的方式在晶體中擴散，所得出的擴散系數比自擴散系數大得多。 對于替位式的外來原子（取代正常格點的原子位置），其擴散的方式同自擴散更為相似，但實驗表明，其擴散系數也比晶體的自擴散系數為大，主要原因之一是外來原子和晶體中的基本原子的大小不同，當它們替代晶體中的原子后，引起了周圍的晶格畸變。正因為外來原子

22、的周圍是個畸變區，所以近鄰出現空位的幾率比較大，這樣，外來原子依靠空位機構而擴散的速率也就快了。二二.原子擴散理論原子擴散理論 （黃昆書（黃昆書12.4節）節） 樣品中原子濃度不均勻時，原子就會從高濃度樣品中原子濃度不均勻時，原子就會從高濃度區向低濃度區遷移，直到樣品中原子分布均勻為區向低濃度區遷移，直到樣品中原子分布均勻為止。這種原子的遷移現象叫擴散。擴散現象對固止。這種原子的遷移現象叫擴散。擴散現象對固體材料的應用有著重要影響，如半導體體材料的應用有著重要影響，如半導體Si，Ge中中可以通過擴散可以通過擴散-族元素來控制其導電類型和電族元素來控制其導電類型和電阻率；擴散現象也決定著或影響著

23、固體的許多物阻率；擴散現象也決定著或影響著固體的許多物理性質。晶體中原子的擴散現象和其存在的點缺理性質。晶體中原子的擴散現象和其存在的點缺陷是密切相關的。陷是密切相關的。擴散的三種基本機制：擴散的三種基本機制： Kittel 8版 p397兩個原子換位通過間隙原子遷移通過空位交換位置描述擴散現象的宏觀規律：描述擴散現象的宏觀規律： nD nt jFick 第二定律第二定律 ：D n jFick 第一定律第一定律 ：擴散物質濃度不大的情況下，單擴散物質濃度不大的情況下，單位時間內，通過單位面積的擴散物的量（簡稱擴散位時間內，通過單位面積的擴散物的量（簡稱擴散流），決定于濃度流），決定于濃度n的梯

24、度：的梯度：nDtn2如果假設擴散系數與濃度無關，就有將一定量的 擴散物質涂在一半無限大晶體的一端面上，厚度為，在溫度T下，使其從晶體表面向內部擴散，求擴散物質在晶體中的分布。擴散方程：22nnDtx初始條件：,0n x00Nn0 x x 0 xNFick第二定律在一維擴散情況下的應用第二定律在一維擴散情況下的應用約束條件：0,n x t dxN滿足上述條件的解為：2,exp4Nxn x tDtDtt2 t2t10t1t=0n(x,t)x0 實驗上，常用示蹤原子法來研究實驗上，常用示蹤原子法來研究晶體中原子的擴散過程，方法是將含晶體中原子的擴散過程，方法是將含有發射性同位素的擴散物質涂在晶體表

25、面，在一定溫度下，經過一定有發射性同位素的擴散物質涂在晶體表面，在一定溫度下，經過一定時間的擴散，然后對樣品逐層取樣，測量其放射性強度，即可得出其時間的擴散，然后對樣品逐層取樣，測量其放射性強度，即可得出其濃度分布曲線，濃度分布曲線，進而可以確定擴散系數進而可以確定擴散系數D。2ln,ln4Nxn x tDtDt1tg4Dt14 tgDtx2lnn(x)0擴散系數與溫度的關系：擴散系數與溫度的關系： 擴散系數與溫度有密切關系，溫度越高，擴散就越快。我們可在不同溫度下測量原子的擴散系數D(T)，實驗發現，若溫度變化范圍不太寬，那么，擴散系數與溫度的關系為0( )expQD TDRT其中：D0為常

26、數，R是氣體常數，Q為擴散激活能，在研究原子的擴散過程中，擴散激活能是個相當重要的物理量。有關擴散系數的定性結論：有關擴散系數的定性結論：p 間隙式的原子一般具有較高的擴散系數（例如碳原子在鋼鐵中的擴間隙式的原子一般具有較高的擴散系數（例如碳原子在鋼鐵中的擴散）。散）。p 溶解度愈低的代位式原子，擴散系數愈大。溶解度愈低的代位式原子，擴散系數愈大。p 依靠示蹤原子方法還可以測量晶格本身的原子的擴散（如放射性依靠示蹤原子方法還可以測量晶格本身的原子的擴散（如放射性Fe原原子在子在Fe晶體中的擴散），這種擴散稱為晶體中的擴散），這種擴散稱為自擴散自擴散，自擴散系數往往低于，自擴散系數往往低于外加元

27、素的擴散系數。外加元素的擴散系數。Kittel 第第8版版 p398微觀理論的描述：微觀理論的描述： 間隙位置上雜質原子的擴散間隙位置上雜質原子的擴散若以若以表示原子的特征振動頻率，則在表示原子的特征振動頻率，則在1s內的某一時刻原子具有足夠的熱能內的某一時刻原子具有足夠的熱能而越過勢磊的概率而越過勢磊的概率p為為 p exp(-/kT)在在1s時間內，原子對勢磊進行時間內，原子對勢磊進行次沖擊，而每次嘗試中越過勢磊的概率是次沖擊，而每次嘗試中越過勢磊的概率是exp(-/kT)。量。量p稱為跳遷頻率。稱為跳遷頻率。考慮處在間隙位置上的雜質原子所構成的兩個平行平面。平面間距等于晶格考慮處在間隙位

28、置上的雜質原子所構成的兩個平行平面。平面間距等于晶格常數常數a。一個平面上有。一個平面上有S個雜質原子，另一個平面上有（個雜質原子，另一個平面上有（S+adS/dx）個雜質）個雜質原子。原子。1s內由一個平面度越至第二平面的凈原子數近似等于內由一個平面度越至第二平面的凈原子數近似等于-padS/dx。若雜。若雜質原子的總濃度為質原子的總濃度為N，則一個平面上每單位面積上的，則一個平面上每單位面積上的 S = aN。于是，擴散通量就可以寫成于是，擴散通量就可以寫成 JN -pa2 (dN/dx)對比對比 就得到就得到 D = a2 exp(-/kT)0( )expQD TDRT因此，因此， D0

29、 = a2 ，擴散激活能，擴散激活能 Q = NA, NA為阿伏伽德羅常數為阿伏伽德羅常數。空位式擴散空位式擴散這種情況下，格點上的擴散原子雖然不斷向四鄰沖擊，但只有當一個空這種情況下，格點上的擴散原子雖然不斷向四鄰沖擊，但只有當一個空位出現在它四周時，它才實際有可能躍進這個空位從而移動一步，此時位出現在它四周時，它才實際有可能躍進這個空位從而移動一步，此時的跳躍率可以寫成的跳躍率可以寫成 p Pexp(-/kT)與間隙原子跳躍率相比，只是增加了一個表示鄰近格點為空位的幾率因與間隙原子跳躍率相比，只是增加了一個表示鄰近格點為空位的幾率因子子P。由由 可知可知 P = ns/N = exp(-W

30、s/kT)，帶入上式，得，帶入上式，得 p exp-(+Ws )/ kT )exp(kTWNnss對比，對比， 可以得到可以得到 D = a2 exp -(+Ws )/ kT 0( )expQD TDRT因此，因此， D0 = a2 ，擴散激活能，擴散激活能 Q = NA (+Ws )對于原子的自擴散和晶體中替位式雜質或缺位式雜質的異對于原子的自擴散和晶體中替位式雜質或缺位式雜質的異擴散，一般可以認為是通過擴散，一般可以認為是通過空位機制空位機制擴散的。擴散的。3 離子晶體中的點缺陷離子晶體中的點缺陷離子性導電：離子性導電：離子晶體中，帶電離子被固定在晶格離子晶體中，帶電離子被固定在晶格 位置

31、上，理想情形電場作用下是不導電的，位置上，理想情形電場作用下是不導電的， 應該是絕緣體。但實際晶體中卻存在一定的導應該是絕緣體。但實際晶體中卻存在一定的導 電性，而且電導率是溫度的敏感函數，溫度高電性，而且電導率是溫度的敏感函數，溫度高 時可以有和金屬相同量級的電導率，分析表明時可以有和金屬相同量級的電導率，分析表明 這是由于點缺陷的存在及其擴散運動促成了離這是由于點缺陷的存在及其擴散運動促成了離 子晶體中正負離子在電場作用下定向漂移的結子晶體中正負離子在電場作用下定向漂移的結 果，稱之為離子性導電。果，稱之為離子性導電。 離子晶體中的點缺陷（空位和間隙原子）都帶有一定電離子晶體中的點缺陷（空

32、位和間隙原子）都帶有一定電荷，沒有外場時做無規則的布朗運動，不產生宏觀電流。荷，沒有外場時做無規則的布朗運動，不產生宏觀電流。離子性導電聯系高溫下的離子晶體導電在外力F作用下填隙原子的勢場(a)填隙原子沿虛線運動；(b)沒有外力作用的勢場；(c)在外力作用下的勢場。勢壘不再是對稱的了，向左與向右跳動的幾率不一樣了。 離子晶體中帶電的點缺陷在外電場作用下產生的導電現象稱為離子導電。離子導電現象是由離子中的點缺陷在晶格中運動形成的，因此離子導電的機制與離子自擴散的機制有關，所不同者，這里涉及的是點缺陷在外場作用下的運動。 當有外電場時，外電場對它們攜帶電荷的作用，當有外電場時，外電場對它們攜帶電荷

33、的作用，使布朗運動產生一定的傾向，從而引起宏觀電流。使布朗運動產生一定的傾向，從而引起宏觀電流。通過分析可以給出離子性導電的歐姆定律表通過分析可以給出離子性導電的歐姆定律表達式。達式。 （見黃昆書p555）顯然和金屬不同，溫度越高，電導率越高。顯然和金屬不同，溫度越高，電導率越高。另外還可以得出遷移率另外還可以得出遷移率與擴散系數與擴散系數D之間之間的的愛因斯坦關系愛因斯坦關系DTkqB離子導電性研究是探討晶格缺陷的重要工具離子導電性研究是探討晶格缺陷的重要工具 對于含有已知量二價金屬離子的鹵化堿和鹵化銀對于含有已知量二價金屬離子的鹵化堿和鹵化銀進行的研究工作表明：在不很高的溫度下，離子電導進行的研究工作表明：在不很高的溫度下，離子電導率正比于二價摻雜的量。這并不是由于二價離子本征率正比于二價摻雜的量。這并不是由于二價離子本征的活動性高，因為在陰極上淀積出來的主要是單價金的活動性高，因為在陰極上淀積出來的主要是單價金屬離子。伴隨著二價離子而引入的晶格空位增進了擴屬離子。伴隨著二價離子而引入的晶格空