點缺點晶體中原子擴散線缺點—位錯面缺點離子晶體中缺點和離子性導電第五章晶體中缺點1/51完美晶體：全部原子或離子都排列在晶格中它們自己位置上，沒有外來雜質；晶體原子之比符合化學計量比。實際晶體：與理想晶體有一些差異。或多或少地存在這么那樣缺點。晶體缺點存在，破壞了完美晶體有序性，引發晶體內能U和熵S增加。2/51按缺點在空間幾何構型可將缺點分為點缺點、線缺點、面缺點和體缺點，它們分別取決于缺點延伸范圍是零維、一維、二維還是三維。每一類缺點都會對晶體性能產生很大影響，比如點缺點會影響晶體電學、光學和機械性能，線缺點會嚴重影響晶體強度、電性能等。3/515.1點缺點熱缺點熱缺點數目標統計雜質原子色心極化子4/51點缺點—晶體周期性被破壞程度在一個點附近1至幾個原子間距范圍.點缺點類型：熱缺點—原子熱運動所產生雜質—晶體中外來原子色心—一個引發晶體顏色改變點缺點極化子—晶體中存在多出電子時引發晶格畸變5/511.熱缺點熱缺點因為晶格熱運動而產生點缺點.包含空位、填隙原子和夫侖克爾缺點。1）空位（Schottky缺點）和填隙原子2）Frenkel缺點：空位—填隙原子對6/51熱缺點數目標統計1)熱缺點數目由熱力學可知，在等溫過程中，當熱缺點數目到達平衡時，系統自由能取極小值：a）空位平衡數目設：晶體中原子總數：N

形成一個空位所需能量：u1

晶體中空位數：n1（N>>n1）7/51因為晶體中出現空位，系統自由能改變：，W：系統可能出現微觀狀態數晶體中沒有空位時，系統原有微觀狀態數為W0，因為出現空位，系統微觀狀態數增加W1。假設：W0和W1相互獨立，有：W＝W0W1于是有：

8/51在N+n1個原子位置中出現n1個空位，其微觀狀態數為：到達平衡時：利用Stirling公式，當x很大時，有：9/51b）間隙原子平衡數目晶體中間隙原子位置總數：N'

形成一個間隙原子所需能量：u2

平衡時晶體中間隙原子數：n2（設n2<<N'）則在一定溫度下，間隙原子平衡數目為：10/51c）Frenkel缺點平衡數目：一樣方法，可求出晶體中Frenkel缺點平衡數目為：其中：nf＝n1＝n2，

uf＝u1＋u2：形成一個Frenkel缺點所需能量。因為u1<u2，uf，所以，在普通情況下，空位是晶體中主要熱缺點。11/51熱缺點運動a)空位運動E1E1：空位運動所需越過勢壘空位運動頻率：

1：空位越過勢壘向鄰近位置運動頻率.

10：空位試圖越過勢壘頻率（原子振動頻率）.

或

1：空位每跳一步需等候時間.

10＝1/

10：原子振動周期.12/51b)間隙原子運動E2：間隙原子運動所需克服勢壘.

20：間隙原子試圖越過勢壘頻率（間隙原子振動頻率）.

2：間隙原子每跳一步所需等候時間.

20：間隙原子振動周期.13/512.雜質原子當晶體中雜質以原子狀態在晶體中存在時,也會引發晶格周期性破壞,形成點缺點，稱為雜質原子.

替位式雜質（代位式雜質）.填隙式雜質.缺位式雜質.K＋Cl－K＋Cl－K＋Cl－K＋Cl－K＋Cl－

K＋Cl－

K＋Cl－K＋Cl－K＋Cl－K＋Cl－K＋Cl－K＋Cl－K＋Cl－K＋Cl－K＋Cl－

Ca2＋14/513.色心色心是一個非化學計量比引發空位缺點。該空位能夠吸收可見光使原來透明晶體出現顏色，因而稱它們為色心.Cl－Na＋Cl－Na＋Cl－Na＋

Na＋Cl－Na＋Na＋Cl－Cl－Na＋Cl－Na＋Cl－Na＋Na＋Cl－Cl－Na＋Cl－Cl－Na＋Cl－Na＋Cl－Na＋-eNa＋

用X射線或射線輻照、用中子或電子轟擊晶體,也可在晶體中產生色心。15/51極化子一個多出電子被引入到完整晶體中所產生晶格畸變，是一個點缺點。電子使離子產生位移極化，位移極化所產生庫侖引力趨于阻止電子從這區域逃出去，電子所在處出現了趨于束縛這個電子勢阱。這種束縛作用稱為電子自陷作用，對應電子束縛態稱為自陷態。陷態永遠追伴隨電子從晶格中一處移到另一處，沒有固定不動中心。這么一個攜帶著晶格畸變電子，稱為極化子。返回16/515.2晶體中原子擴散擴散宏觀規律擴散微觀機制17/51晶體中原子擴散本質是原子無規布朗運動。——Fick定律D—擴散系數

負號表示擴散方向與濃度梯度方向相反，即擴散總是從濃度高地方向濃度低地方擴散。—濃度梯度2.

宏觀擴散規律18/51擴散過程必須滿足連續性方程：若擴散系數與濃度無關，有：

方程解與初始條件和邊界條件相關。19/51１）恒定源擴散0x

N{初始條件：0xx>

約束條件：20/512）保持表面濃度不變初始條件和邊界條件分別為：{n(x,0)=0,x>0n(0,t)=n0,t

0解為：21/51——誤差函數（概率積分）22/513)擴散系數與溫度關系擴散系數與溫度有親密關系，溫度越高，擴散就越快。試驗發覺，若溫度改變范圍不太寬，那么，擴散系數與溫度關系為D0：常數，R：氣體常數，Q：擴散激活能23/51

1/T0lnD24/512.擴散微觀機制

1

2>dd圓柱體高：d底面：dS＝1

由面1向面2流動凈原子流密度：

：原子在相鄰兩次跳躍間時間間隔1）擴散系數25/51擴散系數微觀表示式：

主要由跳躍后所需等候時間來決定2）原子擴散微觀機制空位機制：擴散原子經過與周圍空位交換位置

進行擴散。間隙原子機制：擴散原子經過從一個間隙位置跳到

另一個間隙位置進行擴散。易位機制：擴散原子經過與周圍幾個原子同時交換

位置進行擴散。

26/51a)空位機制d＝a擴散系數表示式：

1：原子每跳一步所需等候時間

n1/N：在擴散原子周圍出現空位概率27/51與比較u1小，E1小，擴散激活能Q低，擴散就越快估算：a~310-10m，

0

~1012s-1

D0理論~10-8m2/sD0試驗

~10-4m2/s

原因：有些影響擴散過程原因未考慮28/51對于原子自擴散和晶體中替位式雜質或缺位式雜質異擴散，普通能夠認為是經過空位機制擴散。一些元素在Pb中擴散系數試驗值（285℃）元素PbSnFeAgAuD0(10-4m2/s)4.345.710-27.510-23.510-1Q(Kcal/mol)28.026.221.015.214.0D(10-4m2/s)710-111.610-103.610-109.110-84.610-629/51b)間隙原子機制d=a

填隙式雜質在晶體中擴散普通可認為是經過間隙原子機制擴散。30/51在普通情況下，雜質原子異擴散要比原子自擴散快。這是因為當雜質原子取代原晶體中原子所在格點位置時，因為兩種原子大小不一樣，必定會在雜質原子周圍產生晶格畸變。所以，在雜質原子周圍，輕易產生空位，有利于雜質原子擴散。影響擴散系數原因很多，如晶體其它缺點：位錯、層錯、晶粒間界等都對擴散過程有影響。而各種影響原因主要都是經過影響擴散激活能Q表現出來。所以，在研究原子擴散過程中，擴散激活能是一個非常主要物理量。返回31/515.3線缺點—位錯位錯描述,柏格斯回路刃型位錯螺型位錯螺型位錯與晶體性質32/51Burgers回路參考回路1.位錯描述,柏格斯回路位錯定義：Burgers矢量不為零（b0）線缺點．

Burgers矢量集中反應了位錯特征，并可將位錯和其它線缺點有效地域分開來．33/51EF2.刃位錯：b垂直于位錯線

刃位錯特點：柏格斯矢量b垂直于位錯線．有多出半截原子面．有固定滑移面．

b34/513.螺位錯：

b平行于位錯線．AB螺位錯特點：柏格斯矢量b平行于位錯線.整個晶體形成一螺旋卷面．凡是包含位錯線平面均是其滑移面．35/514.位錯與晶體性質幾乎全部晶體中都存在位錯，正是因為這些位錯運動造成金屬在很低外加切應力作用下就出現滑移。所以，晶體中位錯存在是造成金屬強度大大低于理論值最主要原因。不含位錯金屬晶須確實含有相當靠近于理論值強度．30μm

圖為一根直徑為100nmNi單晶須，能夠彎曲成直徑為幾十微米環狀36/51位錯是晶體中線缺點，位錯線在晶體中形成一畸變管道．在管道內及其附近，因為晶格畸變有較大應力集中，在晶體內形成應力場，位錯線附近原子能量高于正常格點上原子能量，所以管道內及其附近原子輕易被雜質原子替換，且易被腐蝕。晶體表面位錯露頭處最輕易被腐蝕，選取適當腐蝕液，可觀察到形成錐形腐蝕坑．返回37/51螺型位錯在晶體表面形成一生長臺階，新凝結原子最輕易沿臺階集結，所以晶體生長中輕易沿著螺旋面生長出新一層，而且依次排序不會把臺階毀滅．38/515.4面缺點堆垛層錯孿晶界面晶粒間界39/51堆垛層錯密堆積結構晶體中某個原子層發生堆積錯誤，稱為堆垛層錯（stackingfault），如立方密積fcc晶體中正常堆積次序：···ABCABC···，若堆垛次序為···ABCABABC···，則稱發生層錯。孿晶界面孿晶（twin)是一對連生晶塊，兩晶塊以特定取向相交接形成界面，稱為孿晶界面（twinplaneboundary）。40/51晶粒間界固體從蒸汽、溶液或熔體中結晶出來時，只有在一定條件下，比如有籽晶存在時，才能形成單晶，而大多數固體屬于多晶體。多晶是由許多小晶粒組成。這些小晶粒本身能夠近似看作單晶，且在多晶體內做雜亂排列。多晶體中晶粒與晶粒交界區域稱為晶粒間界.41/51晶界結構和性質與相鄰晶粒取向差相關，當取向差小于10?時，晶界稱為小角晶界；當取向大于10?時晶界稱為大角度晶界。實際多晶材料普通都是大角度晶界，但晶粒內部亞晶界則是小角晶界。最簡單小角晶界是對稱傾斜晶界。圖中是簡單立方結構晶體中界面為（100）面傾斜晶界，相當于一系列平行、伯氏矢量在[100]方向上刃型位錯線。小角晶界含有阻止原子擴散作用。42/515.5離子晶體中缺點和離子性導電AX型離子晶體中點缺點離子在外電場中運動離子導電率43/511.AX型離子晶體中點缺點空位正離子空位（－）負離子空位（＋）間隙離子正填隙（＋）負填隙（－）2.離子在外電場中運動=0時，離子晶體中點缺點作無規布朗運動，所以，不產生宏觀電流.0時，離子晶體中帶電點缺點在外電場作用下發生定向遷移，從而產生宏觀電流．44/51以正填隙離子為例設其電荷為q，外電場：離子在電場中受力：F=q，附加電勢能：U(x)=－qx離子運動需越過勢壘：向左：向右：－qx