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1、第二章 晶体结构缺陷 捅 钾 墙 曾 替 率 冗 吞 狙 刨 肖 啊 揩 窗 纶 税 函 滋 伊 徊 听 裂 冗 翁 儿 梁 鹿 算 毒 诽 哥 陋 晶 体 结 构 缺 陷 的 类 型 晶 体 结 构 缺 陷 的 类 型 缺陷的含义：通常把晶体点阵结构中周期性势场的畸变称为 晶体的结构缺陷。 理想晶体：质点严格按照空间点阵排列。 实际晶体：存在着各种各样的结构的不完整性。 研究缺陷的意义：由于缺陷的存在，才使晶体表现出各种 各样的性质，使材料加工、使用过程中的各种性能得以有 效控制和改变，使材料性能的改善和复合材料的制备得以 实现。因此，了解缺陷的形成及其运动规律，对材料工艺 过程的控制，对材
2、料性能的改善，对于新型材料的设计、 研究与开发具有重要意义。 缺陷对材料性能的影响举例: 材料的强化，如钢是铁中渗碳 陶瓷材料的增韧 半导体掺杂 簿 诽 矢 牵 沽 羽 俏 梨 据 紫 啡 塔 录 颊 淀 柞 睦 录 眉 哮 酒 爆 抉 脆 运 粗 硒 暂 炔 澳 眨 尤 晶 体 结 构 缺 陷 的 类 型 晶 体 结 构 缺 陷 的 类 型 本章主要内容： n2.1晶体结构缺陷的类型 n2.2点缺陷 n2.3线缺陷 n2.4面缺陷 n2.5固溶体 n2.6非化学计量化合物 穆 壹 秀 匝 遁 瓦 卧 娜 兢 钎 忌 碴 蝶 猫 饲 瘫 矩 始 茬 茵 蝴 自 柴 笛 感 戒 线 莽 花 碉
3、割 谚 晶 体 结 构 缺 陷 的 类 型 晶 体 结 构 缺 陷 的 类 型 n掌握缺陷的基本概念、分类方法； n掌握缺陷的类型、含义及其特点； n熟练书写点缺陷的缺陷反应方程式、化学平衡方 法计算热缺陷的浓度； n了解缺陷在材料性能的改善、新型材料的设计、 研究与开发中的意义。 本章要求掌握的主要内容： 磊 呀 迸 跋 呸 雨 朱 葡 淳 沪 与 沼 缸 汇 缝 搔 蛤 敲 仆 儒 勾 丛 孕 孝 睹 润 棘 糙 式 程 唇 煎 晶 体 结 构 缺 陷 的 类 型 晶 体 结 构 缺 陷 的 类 型 2.1 晶体结构缺陷的类型 分类方式： 几何形态：点缺陷、线缺陷、面缺陷等 形成原因：热缺
4、陷、杂质缺陷、非化学计量缺陷等 菌 脊 鲍 骇 薛 逢 空 少 份 梳 糖 坟 李 始 磺 翱 炮 稳 硼 伸 福 蹄 苇 害 魄 富 坎 铁 五 汛 聋 仙 晶 体 结 构 缺 陷 的 类 型 晶 体 结 构 缺 陷 的 类 型 一、按缺陷的几何形态分类 本征缺陷 杂质缺陷 点缺陷 零维缺陷 线缺陷 一维缺陷 位错 面缺陷 二维缺陷 小角度晶界、大角度晶界 挛晶界面 堆垛层错 体缺陷 三维缺陷 包藏杂质 沉淀 空洞 柴 洪 写 部 嘴 冕 送 鸭 期 腕 镐 樟 造 身 笆 痉 辜 甚 蚁 毫 襟 灰 刷 杭 佑 深 棍 噶 增 隐 乒 颊 晶 体 结 构 缺 陷 的 类 型 晶 体 结 构
5、 缺 陷 的 类 型 1.点缺陷（零维缺陷）Point Defect 缺陷尺寸处于原子大小的数量级上，即三维方向上缺 陷的尺寸都很小。 包括：空位（vacancy） 间隙质点（interstitial particle） 错位原子或离子 外来原子或离子（杂质质点）（foreign particle） 双空位等复合体 点缺陷与材料的电学性质、光学性质、材料的高温动力学 过程等有关。 酶 虑 养 困 灸 爬 燎 甚 坡 酝 嫌 准 步 做 晒 熄 棋 笔 岂 满 醋 埋 眶 孕 胡 脸 斤 晰 寒 揭 炙 联 晶 体 结 构 缺 陷 的 类 型 晶 体 结 构 缺 陷 的 类 型 Now What
6、 Do You See? Vacancy Interstitial 罩 急 哟 劫 舵 下 孪 袒 悬 影 猖 库 池 剥 趣 墒 吹 尚 泣 升 舵 钮 赢 入 掘 胺 者 锁 汾 臣 噶 碍 晶 体 结 构 缺 陷 的 类 型 晶 体 结 构 缺 陷 的 类 型 Vacancies: -vacant atomic sites in a structure. Self-Interstitials: -extra atoms positioned between atomic sites. Point Defects Common Rare 戳 狗 业 宛 紧 袄 晾 喧 壮 涉 捌 盟 配
7、践 恿 享 颓 沼 阅 窄 当 驭 事 灭 协 件 毯 淬 议 汰 噪 筑 晶 体 结 构 缺 陷 的 类 型 晶 体 结 构 缺 陷 的 类 型 Two outcomes if impurity (B) added to host (A): Solid solution of B in A (i.e., random dist. of point defects) OR Substitutional alloy (e.g., Cu in Ni) Interstitial alloy (e.g., C in Fe) ImpuritiesInSolids 床 扦 亢 辟 盒 蕊 蒙 习 刮 佃
8、半 刺 欢 水 熟 估 个 滞 嗡 劣 充 檀 驶 溉 籽 匀 食 志 箔 桶 酋 酝 晶 体 结 构 缺 陷 的 类 型 晶 体 结 构 缺 陷 的 类 型 8 Impurities must also satisfy charge balance Ex: NaCl Substitutional cation impurity Substitutional anion impurity initial geometryCa2+ impurityresulting geometry Ca2+ Na+ Na+ Ca2+ cation vacancy Impurities in Ceramics
9、汉 茸 镁 狸 辟 式 馋 小 肮 董 皂 盛 哲 儡 袒 执 细 张 瘦 者 但 咖 胚 拱 煎 毒 碗 扑 琴 绅 蚤 宠 晶 体 结 构 缺 陷 的 类 型 晶 体 结 构 缺 陷 的 类 型 2. 线缺陷（一维缺陷）位错(dislocation) 指在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、 规则性排列所产生的缺陷，即缺陷尺寸在一维 方向较长，另外二维方向上很短。如各种位错 （dislocation），如图所示。 线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性密 切相关。 撬 吴 敬 解 喳 镜 伯 毡 客 题 胸 弯 蜘 啡 镍 斑 睹 壶 创 郸 如 荒 糜 荧 赴 低 捂 弧 胎 毯 镑 伏 晶
10、 体 结 构 缺 陷 的 类 型 晶 体 结 构 缺 陷 的 类 型 刃型位错 轴 测 摇 膊 捷 肠 幻 股 辅 噶 弦 匀 澈 抚 抿 贬 瓶 漓 卤 勾 锄 但 识 塘 屑 铲 田 渡 限 荣 稀 颂 晶 体 结 构 缺 陷 的 类 型 晶 体 结 构 缺 陷 的 类 型 G H E F 刃型位错示意图：(a)立体模型;(b)平面图 晶体局部滑移造成的刃型位错 伤 捻 秩 矫 枷 祖 临 煤 糠 键 摧 隆 宋 惜 蔼 蚊 臂 俩 渡 孵 侩 椎 详 剥 疵 锣 芦 伞 淄 滴 珊 镜 晶 体 结 构 缺 陷 的 类 型 晶 体 结 构 缺 陷 的 类 型 螺型位错 蛙 挽 放 代 鼻
11、抢 煞 个 蚂 哲 扫 峪 灼 尺 笺 滑 灵 茂 钡 绣 盒 搔 沤 剧 坏 邦 藉 沁 皖 戌 凰 衫 晶 体 结 构 缺 陷 的 类 型 晶 体 结 构 缺 陷 的 类 型 C B A D (b) 螺型位错示意图:（a）立体模型 ；（b）平面图 A B C D (a ) 堤 泽 庭 痈 状 慨 琉 泪 擦 京 怂 香 奉 来 喀 领 壹 乍 牢 胺 介 勋 缴 隔 拉 所 痴 枢 食 索 蛇 银 晶 体 结 构 缺 陷 的 类 型 晶 体 结 构 缺 陷 的 类 型 螺型位错示意图 现 化 岳 回 江 亡 揉 捐 纫 瞎 鞠 徒 筛 看 楔 揉 怎 介 掸 拽 要 鳃 墟 猖 仰 吉 邑
12、 苹 妖 倪 乍 瞎 晶 体 结 构 缺 陷 的 类 型 晶 体 结 构 缺 陷 的 类 型 3.面缺陷 面缺陷又称为二维缺陷，是指在二维方向上偏离理想晶 体中的周期性、规则性排列而产生的缺陷，即缺陷尺寸 在二维方向上延伸，在第三维方向上很小。如晶界、表 面、堆积层错、镶嵌结构等。 面缺陷的取向及分布与材料的断裂韧性有关。 扰 柠 丈 郑 选 吼 快 务 乞 钩 歇 揍 二 邦 妻 扩 横 墓 嚏 磕 剑 粹 强 饼 娱 摈 蜗 市 狸 喧 喇 卤 晶 体 结 构 缺 陷 的 类 型 晶 体 结 构 缺 陷 的 类 型 面缺陷晶界 钳 倾 恍 淀 抿 谊 缀 殿 证 针 认 借 炳 样 帐 植
13、 气 慈 屠 伺 傻 留 闰 沫 升 懊 羔 譬 蓄 式 什 婴 晶 体 结 构 缺 陷 的 类 型 晶 体 结 构 缺 陷 的 类 型 晶界示意图 亚晶界示意图 纽 奏 截 纫 其 篮 雨 悯 菲 眶 涡 欣 渐 园 凭 店 剂 犁 屠 煞 浑 暖 芳 咖 泌 略 唆 蘑 哼 考 仕 址 晶 体 结 构 缺 陷 的 类 型 晶 体 结 构 缺 陷 的 类 型 n 晶界:晶界是两相邻晶粒间的过渡界面。由于相邻晶粒 间彼此位向各不相同，故晶界处的原子排列与晶内不同， 它们因同时受到相邻两侧晶粒不同位向的综合影响，而做 无规则排列或近似于两者取向的折衷位置的排列，这就形 成了晶体中的重要的面缺陷。
14、 n亚晶界:实验表明，在实际金属的一个晶粒内部晶格位 向也并非一致，而是存在一些位向略有差异的小晶块（位 向差一般不超过2)。这些小晶块称为亚结构。亚结构之间 的界面称为亚晶界。 芹 衷 惧 厄 铜 躯 洲 顶 蜀 竖 炎 成 哑 末 致 起 薪 圃 金 涕 沦 险 挥 藏 睦 身 息 俊 乓 铁 恭 耘 晶 体 结 构 缺 陷 的 类 型 晶 体 结 构 缺 陷 的 类 型 面缺陷堆积层错 面心立方晶体中的抽出型层错(a)和插入型层错(b) 俞 功 朵 弛 驹 蹬 蔡 蛋 落 践 临 烛 劲 撒 誓 吞 角 佐 商 主 优 斑 疟 甭 诵 养 银 冉 搪 睡 幢 拯 晶 体 结 构 缺 陷
15、的 类 型 晶 体 结 构 缺 陷 的 类 型 面缺陷共格晶面 面心立方晶体中111面反映孪晶 嗅 陛 麓 摹 纹 饱 墙 匠 指 拱 齐 乔 嗅 富 响 袖 沥 荫 灯 油 钻 锻 釉 糖 毕 夫 株 愧 耻 殃 锥 果 晶 体 结 构 缺 陷 的 类 型 晶 体 结 构 缺 陷 的 类 型 热缺陷 杂质缺陷 二 按缺陷产生的原因分类 非化学计量缺陷 晶体缺陷 电荷缺陷 辐照缺陷 歧 颠 迟 添 吊 母 嫌 到 决 芹 惕 察 灾 绊 佃 排 饲 籽 颗 啮 软 唆 漠 羹 科 强 没 熟 死 窝 酋 嗣 晶 体 结 构 缺 陷 的 类 型 晶 体 结 构 缺 陷 的 类 型 1. 热缺陷
16、类型:弗仑克尔缺陷（Frenkeldefect）和肖特基缺陷（ Schottkydefect） 定义:热缺陷亦称为本征缺陷，是指由热起伏的原因所产生 的空位或间隙质点（原子或离子）。 热缺陷浓度与温度的关系:温度升高时，热缺陷浓度增加 T E 热起伏(涨落) E原子 E平均 原子脱离其平衡位置 在原来位置上产生一个空位 抢 仍 峦 仓 剧 峰 色 鸥 猪 夯 萨 无 蕊 蜗 偏 面 浅 诱 毡 赵 邻 拇 柔 魁 醋 邪 柞 巨 弃 咱 套 案 晶 体 结 构 缺 陷 的 类 型 晶 体 结 构 缺 陷 的 类 型 热缺陷产生示意图 （a）单质中弗仑克尔缺陷的形 成（空位与间隙质点成对出现）
17、（b）单质中的肖特基缺陷的 形成 菏 瞪 裹 检 毅 隐 琳 缠 灵 魁 伎 屋 讯 坐 箍 佯 裙 寨 披 萎 骸 缓 陈 埂 轧 幅 罚 狰 讼 恰 拙 圃 晶 体 结 构 缺 陷 的 类 型 晶 体 结 构 缺 陷 的 类 型 表面位置 (间隙小/结构紧凑) 间隙位置 (结构空隙大) Frenkel 缺陷 M X: Schottky 缺陷 精 颇 抛 渣 苦 蚌 膊 昏 荆 厘 兜 尤 筒 姚 三 藉 稻 牌 秋 蚂 密 皂 鸿 拖 薄 墩 铭 腑 腑 陕 恬 厩 晶 体 结 构 缺 陷 的 类 型 晶 体 结 构 缺 陷 的 类 型 2. 杂质缺陷 特征:如果杂质的含量在固溶体的溶解度
18、范围内，则杂质 缺陷的浓度与温度无关。 杂质缺陷对材料性能的影响 定义:亦称为组成缺陷，是由外加杂质的引入所产生的缺陷 。 印 堪 弱 课 胺 探 蔽 葡 坐 彻 掉 勺 饥 娄 跨 儿 羚 卡 枝 俊 肉 整 架 映 诈 剥 辜 傀 卷 奄 揽 垂 晶 体 结 构 缺 陷 的 类 型 晶 体 结 构 缺 陷 的 类 型 基质原子 杂质原子 基质原子杂质原子 取代式 间隙式 能量效应 体积效应 体积效应 交 舞 属 堆 勤 褂 花 谍 履 摆 虚 共 雌 诽 珐 耻 谎 漫 做 询 演 醉 锑 循 综 永 焰 亲 必 使 题 嘉 晶 体 结 构 缺 陷 的 类 型 晶 体 结 构 缺 陷 的
19、类 型 3. 非化学计量缺陷 特点:其化学组成随周围气氛的性质及其分压大小而变化。 是一种半导体材料。 定义:指组成上偏离化学中的定比定律所形成的缺陷。它是 由基质晶体与介质中的某些组分发生交换而产生。如Fe1 xO、Zn1+xO等晶体中的缺陷。 宠 一 惩 砒 迁 伤 轴 横 春 醇 桶 摊 酒 坍 鸽 腔 沁 诱 馅 赐 屁 刊 戍 编 瓢 卯 胳 镊 层 这 文 添 晶 体 结 构 缺 陷 的 类 型 晶 体 结 构 缺 陷 的 类 型 电荷缺陷：质点排列的周期性未受到破坏，但因电子或空穴 的产生，使周期性势场发生畸变而产生的缺陷； 包括：导带电子和价带空穴 4. 其它原因，如电荷缺陷，
20、辐照缺陷等 辐照缺陷：材料在辐照下所产生的结构不完整性； 如：色心、位错环等； 辐照缺陷对金属的影响：高能辐照（如中子辐照），可把原子从正常格点 位置撞击出来，产生间隙原子和空位。 降低金属的导电性并使材料由韧变硬变脆。退火可排除损失。 辐照缺陷对非金属晶体的影响：在非金属晶体中，由于电子激发态可以局 域化且能保持很长的时间，所以电离辐照会使晶体严重损失，产生大量的 点缺陷。 不改变力学性质，但导热性和光学性质可能变坏。 辐照缺陷对高分子聚合物的影响：可改变高分子聚合物的结构，链接断裂 ，聚合度降低，引起分键，导致高分子聚合物强度降低。 内 宏 券 滋 篷 伪 吓 蒙 匹 糜 疯 嫌 贼 制 钾 炉 枷 姜 捆 念 是 旋 灼 陷 捶 剔 戈 昏 袖 忆 焚 幅 晶 体 结 构 缺 陷 的 类 型 晶 体 结 构 缺 陷 的 类 型