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第二章 晶体结构缺陷 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 本章主要内容： 2.1 晶体结构缺陷的类型 2. 2 点缺陷 2.3 线缺陷 2.4 面缺陷 2.5 固溶体 2.6 非化学计量化合物 掌握缺陷的基本概念、分类方法； 掌握缺陷的类型、含义及其特点； 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 ； 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： 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 ： 热缺陷、杂质缺陷、非化学计量缺陷等 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 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。 Now What Do You See? Vacancy Interstitial Vacancies: -vacant atomic sites in a structure. V a c a nc y di st o r t i o n o f p l a n e s Self-Interstitials: -extra atoms positioned between atomic sites. s e l f - i nte r s ti ti a ld i s t o r t i o n o f p l a n e s Point Defects Common Rare 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) Impurities In Solids 8 Impurities must also satisfy charge balance Ex: NaCl Substitutional cation impurity Substitutional anion impurity initial geometry Ca 2+ impurity resulting geometry Ca 2+ Na + Na + Ca 2+ cation vacancy i n i t i a l g e o m e t r y O 2- i m pu r i t y O 2- Cl - an io n va c a n c y Cl - r e su l t i n g ge o m e t r y Impurities in Ceramics 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。 刃型位错 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 螺型位错 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 ) 螺型位错示意图 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。 面缺陷晶界 晶界示意图 亚晶界示意图 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。 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。 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) 面缺陷共格晶面 面心立方晶体中 111面反映孪晶 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 1. 热缺陷 类型 :弗仑克尔缺陷（ Frenkel defect）和肖特基缺陷 （ Schottky defect） 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 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） （ b）单质中的肖特基缺陷的 形成 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 2. 杂质缺陷 特征 :如果杂质的含量在固溶体的溶解度范围内，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。 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 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。 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，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。
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