固体物理第四章课件

,School of Materials Science and Engineering/WHUT,固 体 物 理,教 师：,周静,学生专业：,材料学院,2005,级材料物理,固 体 物 理 教 师：周静,第四章 晶体中的缺陷与运动,晶体缺陷的主要类型,热缺陷数目的统计计算,晶体中的扩散定律,扩散的微观机制,热缺陷在外力作用下的运动,第四章 晶体中的缺陷与运动晶体缺陷的主要类型,点缺陷,线缺陷,面缺陷,体缺陷,缺陷的分类,晶体缺陷的主要类型,点缺陷缺陷的分类 晶体缺陷的主要类型,缺陷的分类,晶体缺陷的主要类型,面缺陷,：晶界、缺陷堆积、表面,体缺陷,：微裂纹、孔洞、集聚,点缺陷,色心,极化子,热缺陷,弗伦克尔缺陷,肖特基缺陷,杂质缺陷,置换型,填隙型,线缺陷,位错,刃型位错,螺旋位错,混合位错,缺陷的分类 晶体缺陷的主要类型面缺陷：晶界、缺陷堆积、表面体,点缺陷,：空位、填隙原子、杂质原子等类型缺陷所引起对晶格周期性的破坏发生在一个或几个晶格常数的限度范围内，故称点缺陷（约占一个原子大小的尺寸）。,点缺陷,（,零维缺陷,）,空位,：指正常格点上某个位置的原子不存在。,填隙原子,：指正常晶格中的固有原子或外来原子挤进晶格间隙位置。,晶体缺陷的主要类型,点缺陷,点缺陷：空位、填隙原子、杂质原子等类型缺陷所引起对晶格周期性,晶体缺陷的主要类型,本征点缺陷,本征缺陷,：由热起伏产生的空位和填隙原子叫做热缺陷，也叫本征缺陷。,常见的本征缺陷有,弗仑克尔缺陷和肖特基缺陷,点缺陷,晶体缺陷的主要类型本征点缺陷本征缺陷：由热起伏产生的空位和填,晶体缺陷的主要类型,Frenkel,缺陷,：原子由正常格点跳到填隙位置，同时产生一个空位和一个填隙原子。通常移动到间隙位置上的离子其半径都较小，多为阳离子。（空位与填隙原子成对产生）,Schottky,缺陷,：晶体内部的原子迁移到晶体表面的正常格点上，同时产生一个空位和一个新的正常格点。（对于离子晶体正负离子空位成对出现）,对,Schottky,缺陷的产生还有另一种理解：表面上某个原子由其固有位置迁移到表面上另一个新的位置，在表面上形成一个空位，内部原子迁移到表面填充这个表面空位，而在内部形成空位。,点缺陷,本征点缺陷,晶体缺陷的主要类型Frenkel缺陷：原子由正常格点跳到填隙,晶体缺陷的主要类型,Frenkel,缺陷和,Schottky,缺陷都是由于晶格振动（热运动）而产生的，称为热缺陷，且为本征缺陷（固有原子缺陷），所以上图中,C,填隙不为,Frenkel,缺陷（杂质缺陷）。,通常要产生填隙缺陷，需固有原子挤进正常晶格间隙位置，这时所需能量要远高于形成空位的能量，故在温度不太高时，对大多数晶体而言，形成,Schottky,的几率要远大于形成,Frenkel,的几率,，当然如果外来原子较小时，也可进入间隙（不是,Frenkel,缺陷）。,点缺陷,本征点缺陷,晶体缺陷的主要类型Frenkel缺陷和Schottky缺陷都,晶体缺陷的主要类型,杂质点缺陷,杂质缺陷,：,在偏离理想状态的固体点缺陷中，除了热运动引起的本征点缺陷之外，其余都为杂质点缺陷。,填隙式杂质点缺陷,：能源材料,贮氢材料，,H,进入金属或合金原子间隙；某些合金就是由,C,、,H,、,O,、,N,等较小元素进入金属元素间隙而形成的。钢就是铁掺碳，,C,进入,Fe,原子间隙；,替代式杂质点缺陷,：,N,型半导体：,P-Si,；,P,型半导体：,Ga-Si,；,红宝石：,Al,2,O,3,（刚玉晶体）掺,Cr,2,O,3,形成，,Cr,3+,-Al,3+,点缺陷,晶体缺陷的主要类型杂质点缺陷杂质缺陷：在偏离理想状态的固体,点缺陷,晶体缺陷的主要类型,电子缺陷,电子缺陷,：在固体晶格中，,由于本征点缺陷或杂质点缺陷的存在,，,晶格的周期性势场局部地受到破坏,，在这些局部地区，电子的能态同晶体中其它部分的能态有所不同，将这类缺陷统称为电子缺陷。,半导体中的电子缺陷,（导带电子和价带空穴）,碱卤晶体中的电子缺陷,（色心）,点缺陷 晶体缺陷的主要类型电子缺陷电子缺陷：在固体晶格中，由,晶体缺陷的主要类型,半导体中的电子缺陷,（导带电子和价带空穴）,在纯净半导体中掺加杂质，在形成替位式杂质点缺陷的同时，改变了晶体的局部势场，使一部分电子能级从许可带中分离了出来，形成禁带能级，因而容易提供电子或空穴，使电导率增加。根据提供的载流子种类的不同分为施主杂质和受主杂质。,施主杂质,：杂质掺进去后，能提供给导带以电子，我们称这种杂质为施主杂质，形成的是,n,型半导体；,受主杂质,：杂质掺进去后，能接受满带的电子，满带中出现电子空穴，我们们称这种杂质为受主杂质，形成的是,p,型半导体。,点缺陷,电子缺陷,晶体缺陷的主要类型半导体中的电子缺陷（导带电子和价带空穴）,晶体缺陷的主要类型,磷（,P,）、硼（,B,）掺入硅（,Si,）中后，禁带中出现能级,E,D,施主,：电子与磷形成弱束缚，能级在,E,D,，很易被激发，,E,D,施主能级,受主,：空穴与硼形成弱束缚，能级在,E,D,，很易接受电子，,E,D,受主能级,点缺陷,电子缺陷,半导体中的电子缺陷,（导带电子和价带空穴）,晶体缺陷的主要类型磷（P）、硼（B）掺入硅（Si）中后，禁带,晶体缺陷的主要类型,碱卤晶体中的电子缺陷,（色心）,色心,：由于电子在离子晶体中出现正、负离子缺位所引起的局部能级变化而导致的电子缺陷，我们称之为色心。,F,心（负离子缺位）,V,心（正离子缺位）,其它色心,极化子,点缺陷,电子缺陷,晶体缺陷的主要类型碱卤晶体中的电子缺陷（色心）色心：由于电,晶体缺陷的主要类型,F,心,（负离子缺位）,将碱卤晶体在碱金属的蒸汽中加热，此时碱金属的组分超过化学比，晶格中出现卤素离子的缺位。以,NaCl,为例，则出现了氯离子空位。,由于负离子是个正电中心,V,*,Cl,，能束缚电子，通常总有一个电子被束缚在它周围，,为六个最近临的钠离子所共有，当晶体受激（如受可见光照射）时，这个束缚着的电子就可能吸收某个波段的能量（电子激发吸收可见光）而被电离到导带，不被吸收的光则透过，显色，称,F,心,。如,NaCl,出现,F,心,，则显淡黄色（透过光的颜色）,俘获了电子的正电中心（负离子空位）的性质和上面提到的杂质半导体的施主很相似。,点缺陷,电子缺陷,碱卤晶体中的电子缺陷,（色心）,晶体缺陷的主要类型 F心（负离子缺位）将碱,晶体缺陷的主要类型,V,心,（正离子缺位）,将碱卤晶体在卤素蒸汽中加热，此时卤素的组分超过化学比，晶格中出现碱金属离子的缺位，即正离子空位。以,NaCl,为例，则出现了钠离子空位。,由于正离子空位是一个带负电的缺陷，即正离子空位是负电中心,V,Na,，能俘获空穴,，以保持电中性。也就是说，有一个空穴被束缚在钠离子缺位的周围，为最近邻六个氯离子所共有。当晶体受激时（空穴激发吸收紫外光），这个空穴被激发到价带而成为自由空穴。,俘获了空穴的负电中心（正离子缺位）的性质同杂质半导体中的受主相似。,点缺陷,电子缺陷,碱卤晶体中的电子缺陷,（色心）,晶体缺陷的主要类型 V心（正离子缺位）将碱,晶体缺陷的主要类型,其它色心,除了基本色心,F,心,和,V,心,以外还有一系列其它色心，都是,F,心,或,V,心,之间的聚集。例如：,R,心,=F,心,+,负离子缺位，即两个负离子缺位,+e,；,R,2,心,=F,心,+F,心，,两个,F,心,的聚集；,M,心,=F,心,+,一对正负离子缺位,这属于缺陷的缔合,点缺陷,电子缺陷,碱卤晶体中的电子缺陷,（色心）,晶体缺陷的主要类型 其它色心 除了基本色心F心,晶体缺陷的主要类型,极化子,当一个电子被引入到完整的离子晶体中时，它就会使得原来的周期性势场发生局部的畸变，这个电子吸引邻近的正离子，使之内移，又排斥邻近的负离子使之外移，从而产生极化。,离子的这种位移极化所产生的库仑引力趋于阻止电子从这个区域逃逸出去，即电子所在处出现了束缚这个电子的势能阱，这种束缚作用称为电子的“自陷”作用。,在自陷作用下产生的电子束缚态称为自陷态，它永远追随着电子从晶格中一处移至另一处。,极化子,：一个携带着四周的晶格畸变而运动的电子，可看作为一个准粒子（电子,+,晶格的极化畸变），叫做极化子。,点缺陷,电子缺陷,碱卤晶体中的电子缺陷,（色心）,晶体缺陷的主要类型 极化子 当一个电子被引入,点缺陷,晶体缺陷的主要类型,极化子,晶格畸变的范围接近于晶格常数尺度的称之为小极化子，晶格畸变的范围如果较大（线度为晶格常数的许多倍），这时的极化子为大极化子。能够作为点缺陷来讨论的只能是小极化子。极化子的模型可使我们对于晶体电阻率随温度变化的函数关系作更为深刻的阐述。晶体的电阻率实际上不仅仅是由于晶格振动对电子的作用，而是晶格振动对极化子作用的结果。,电子缺陷,碱卤晶体中的电子缺陷,（色心）,点缺陷 晶体缺陷的主要类型 极化子 晶格畸变,点缺陷,线缺陷,面缺陷,体缺陷,缺陷的分类,晶体缺陷的主要类型,点缺陷缺陷的分类 晶体缺陷的主要类型,线缺陷,位错线,晶体缺陷的主要类型,当晶格的周期性的破坏是发生在晶体内部一条线的周围近邻，这就称为线缺陷。位错就是典型的线缺陷，在这条线的附近，原子的排列偏离了严格的周期性，好像原子所处的位置有了错误似的，这条线叫做位错线。,刃型位错：位错线垂直于滑移的方向。刃型位错的构成就象是用刀劈柴那样，把晶面挤到一组平行晶面之间，这个半截晶面的下端宛如刀刃。,螺旋位错：位错线平行于滑移的方向。当晶体中存在螺旋位错时，原来的一族平行晶面就变成为象是单个晶面所组成的螺旋阶梯。,线缺陷,（,一维缺陷,）,线缺陷 位错线晶体缺陷的主要类型 当晶格的周期,线缺陷,晶体缺陷的主要类型,设想一单晶体，沿其某一晶面,ABCD,切到直线,AD,，并使上部切开部分的外边,BC,沿,AD,方向滑移一个原子间距，这样在,AD,线处形成一个螺旋位置。由于出现滑移而使原来在完整晶体中与,AD,垂直的平行晶面变成一个围线,AD,螺旋式上升的晶面。,位错线,线缺陷 晶体缺陷的主要类型 设想一单晶体，沿其,线缺陷,晶体缺陷的主要类型,设想一单晶体，沿其某一晶面,ABCD,切到直线,AD,，并使上部切开部分的外边,BC,沿,AD,方向滑移一个原子间距，这样在,AD,线处形成一个螺旋位置。由于出现滑移而使原来在完整晶体中与,AD,垂直的平行晶面变成一个围线,AD,螺旋式上升的晶面。,位错线,线缺陷 晶体缺陷的主要类型 设想一单晶体，沿其,线缺陷,晶体缺陷的主要类型,一般当外应力超过弹性限度，沿着某一晶面两边的晶体发生了相对滑移，并且认为滑移不是在整个晶面上同时发生的，而是先在局部区域发生，然后滑移区域不断扩大以致遍及整个晶面。左图中的三个图分别表示,(a),未滑移前，,(b),局部滑移，,(c),滑移已扩展到整个晶面的原子排列情况。右图中,ABEF,表示已发生了滑移的区域，滑移面的上部面左边的部分已滑移了一步，而它的右边尚没有动，所以在,EFGH,处多挤进了一层原子。,位错的滑移,线缺陷 晶体缺陷的主要类型 一般当外应力超过弹,点缺陷,线缺陷,面缺陷,体缺陷,缺陷的分类,晶体缺陷的主要类型,点缺陷缺陷的分类 晶体缺陷的主要类型,面缺陷属二维缺陷，它对晶体周期性的破坏扩展到一个面附近原子尺寸范围，常见的有：晶界、表面、堆积缺陷（层错）。,面缺陷,（,二维缺陷,）,晶体缺陷的主要类型,面缺陷,表面,固,气界面、外界面、周期性破坏区域（“有”突变到“无”），表面科学认为变化区域介于,n,个原子层厚度，故表面是,n,个原子层厚度的过渡区。,面缺陷属二维缺陷，它对晶体周期性的破坏扩展到,晶体缺陷的主要类型,面缺陷,晶界,指晶粒,晶粒的界面、固,固界面、内界面、晶粒与晶粒的过渡区域、晶粒间界。同样是周期性破坏区域（一种取向晶粒到另一种取向晶粒），过度区厚度为几个,。,晶界是一种面缺陷，是周期性中断的区域，存在较高界面能和应力，且电荷不平衡，,各种原子或缺陷沿晶界（包括表面）的扩散运动能力强，故晶界是各种缺陷和杂质的