1、貴州大學(xué)新型光電子材料與技術(shù)研究所 晶體缺陷的存在，破壞了完美晶體的有序性，引起晶體內(nèi)能U和熵S增加。 按缺陷在空間的幾何構(gòu)型可將缺陷分為點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷和體缺陷點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷和體缺陷，它們分別取決于缺陷的延伸范圍缺陷的延伸范圍是零維、一維、二維還是三維來近似描述。每一類缺陷都會(huì)對(duì)晶體的性能產(chǎn)生很大影響，例如點(diǎn)缺陷會(huì)影響晶體的電學(xué)、光學(xué)和機(jī)械性能，線缺陷會(huì)嚴(yán)重影響晶體的強(qiáng)度、電性能等。貴州大學(xué)新型光電子材料與技術(shù)研究所5.1 點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷熱缺陷熱缺陷的統(tǒng)計(jì)雜質(zhì)原子色心極化子貴州大學(xué)新型光電子材料與技術(shù)研究所 熱缺陷熱缺陷 點(diǎn)缺陷_晶體周期性被破壞的程度在一個(gè)點(diǎn)附近1至幾個(gè)原子間距

2、范圍. 熱缺陷_由于晶格熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的點(diǎn)缺陷.包含空位、填隙原子和夫侖克爾缺陷。1）空位（Schottky缺陷） 和填隙原子2）Frenkel缺陷：空位填隙原子對(duì)稱為Frenkel缺陷。貴州大學(xué)新型光電子材料與技術(shù)研究所熱缺陷的統(tǒng)計(jì)熱缺陷的統(tǒng)計(jì)1) 熱缺陷的數(shù)目由熱力學(xué)可知，在等溫過程中，當(dāng)熱缺陷數(shù)目達(dá)到平衡時(shí)，系統(tǒng)的自由能取極小值：0TFna）空位的平衡數(shù)目 設(shè)設(shè)：晶體中原子總數(shù)：N 形成一個(gè)空位所需能量：u1 晶體中空位數(shù)：n1（N n1 ）貴州大學(xué)新型光電子材料與技術(shù)研究所由于晶體中出現(xiàn)空位，系統(tǒng)自由能的改變：FUT S 1 1Unu ， W：系統(tǒng)可能出現(xiàn)的微觀狀態(tài)數(shù)BSk lnW晶體中

3、沒有空位時(shí)，系統(tǒng)原有的微觀狀態(tài)數(shù)為W0，由于出現(xiàn)空位，系統(tǒng)的微觀狀態(tài)數(shù)增加W1。假設(shè)：W0和W1相互獨(dú)立，有：W W0 W1001BBBSSSk lnWk lnWk lnW 于是有： 1BSk lnW貴州大學(xué)新型光電子材料與技術(shù)研究所11111!nN nNnWN nC在N+n1個(gè)原子位置中出現(xiàn)n1個(gè)空位，其微觀狀態(tài)數(shù)為：11 111 11!BBNnFnuk TlnWnuk TlnN n達(dá)到平衡時(shí)：10Fn利用Stirling公式，當(dāng)x很大時(shí)，有：!dlnxlnxdx11110BFuk T ln Nnlnnn貴州大學(xué)新型光電子材料與技術(shù)研究所111expBnuNnk T11expBunNk T1

4、nNb）間隙原子的平衡數(shù)目晶體中間隙原子位置的總數(shù)：N形成一個(gè)間隙原子所需能量：u2 平衡時(shí)晶體中的間隙原子數(shù)：n2（設(shè)n2 N）則在一定溫度下，間隙原子的平衡數(shù)目為：22expBunNk T貴州大學(xué)新型光電子材料與技術(shù)研究所c）Frenkel缺陷的平衡數(shù)目： 同樣的方法，可求出晶體中Frenkel缺陷的平衡數(shù)目為：exp2ffBunNNk T其中：nfn1n2 ， ufu1u2 ：形成一個(gè)Frenkel缺陷所需的能量。 由于u1 約束條件：0,n x t dxN2,exp4Nxn x tDtDt貴州大學(xué)新型光電子材料與技術(shù)研究所2）保持表面濃度不變22nnDtx 初始條件和邊界條件分別為：n

5、(x, 0) = 0 , x 0n(0, t) = n0 , t 0 解為：22002,1xDtn x tned012xnerfDt貴州大學(xué)新型光電子材料與技術(shù)研究所202( )xerf xed 誤差函數(shù)（概率積分）貴州大學(xué)新型光電子材料與技術(shù)研究所3) 擴(kuò)散系數(shù)與溫度的關(guān)系 擴(kuò)散系數(shù)與溫度有密切關(guān)系，溫度越高，擴(kuò)散就越快。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，若溫度變化范圍不太寬，那么，擴(kuò)散系數(shù)與溫度的關(guān)系為0( )expQD TDRTD0：常數(shù)，R：氣體常數(shù)，Q：擴(kuò)散激活能貴州大學(xué)新型光電子材料與技術(shù)研究所0( )QlnD TlnDRT1/T0lnDtgQRtgQR貴州大學(xué)新型光電子材料與技術(shù)研究所 擴(kuò)散的微觀機(jī)制擴(kuò)

6、散的微觀機(jī)制 1 2dd圓柱體高：d底面：dS1 由面1向面2流動(dòng)的凈原子流密度：1216aj1216nnd216ddndx ：原子在相鄰兩次跳躍的時(shí)間間隔貴州大學(xué)新型光電子材料與技術(shù)研究所216dD 擴(kuò)散系數(shù)的微觀表達(dá)式： 主要由所需等待的時(shí)間來決定 原子擴(kuò)散的微觀機(jī)制：1）空位機(jī)制：擴(kuò)散原子通過與周圍的空位交換位置 進(jìn)行擴(kuò)散 。2）間隙原子機(jī)制：擴(kuò)散原子通過從一個(gè)間隙位置跳到 另一個(gè)間隙位置進(jìn)行擴(kuò)散。3）易位機(jī)制：擴(kuò)散原子通過與周圍幾個(gè)原子同時(shí)交換 位置進(jìn)行擴(kuò)散。貴州大學(xué)新型光電子材料與技術(shù)研究所1）空位機(jī)制da11Nn 擴(kuò)散系數(shù)的表達(dá)式：221110111exp66BanuEDaNk T

7、1：原子每跳一步所需等待的時(shí)間 n1/N ：在擴(kuò)散原子周圍出現(xiàn)空位的概率貴州大學(xué)新型光電子材料與技術(shù)研究所0expQDDRT與與比較比較20001116DaQNuE u1小，E1小，擴(kuò)散激活能Q低，擴(kuò)散就越快 估算：a 3 10-10 m，0 1012 s-1 D0理論 10-8 m2/s D0實(shí)驗(yàn) 10-4 m2/s 原因：有些影響擴(kuò)散過程的因素未考慮貴州大學(xué)新型光電子材料與技術(shù)研究所 對(duì)于原子的自擴(kuò)散和晶體中替位式雜質(zhì)或缺位式雜 質(zhì)的異擴(kuò)散，一般可以認(rèn)為是通過空位機(jī)制擴(kuò)散的。一些元素在Pb中的擴(kuò)散系數(shù)的實(shí)驗(yàn)值（285C）元素元素PbSnFeAgAuD0 (10-4 m2/s)4.345.7

8、 10-27.5 10-23.5 10-1Q (Kcal/mol)28.026.221.015.214.0D (10-4 m2/s)7 10-111.6 10-103.6 10-109.1 10-84.6 10-6貴州大學(xué)新型光電子材料與技術(shù)研究所）間隙原子機(jī)制d = a220expBEk T2201exp6BEDak T填隙式雜質(zhì)在晶體中的擴(kuò)散一般可認(rèn)為是通過間隙原子機(jī)制擴(kuò)散的。貴州大學(xué)新型光電子材料與技術(shù)研究所在一般情況下，雜質(zhì)原子的異擴(kuò)散要比原子自擴(kuò)散快。這是因?yàn)楫?dāng)雜質(zhì)原子取代原晶體中原子所在的格點(diǎn)位置時(shí)，由于兩種原子的大小不同，必然會(huì)在雜質(zhì)原子周圍產(chǎn)生晶格畸變。因此，在雜質(zhì)原子周圍，容

9、易產(chǎn)生空位，有利于雜質(zhì)原子的擴(kuò)散。影響擴(kuò)散系數(shù)的因素很多，如晶體的其他缺陷：位錯(cuò)、層錯(cuò)、晶粒間界等都對(duì)擴(kuò)散過程有影響。而各種影響因素主要都是通過影響擴(kuò)散激活能Q表現(xiàn)出來的。所以，在研究原子的擴(kuò)散過程中，擴(kuò)散激活能是一個(gè)非常重要的物理量。返回返回貴州大學(xué)新型光電子材料與技術(shù)研究所5.3 線缺陷線缺陷-位錯(cuò)位錯(cuò) 位錯(cuò)的描述, 柏格斯回路 刃型位錯(cuò) 螺型位錯(cuò) 螺型位錯(cuò)與晶體生長(zhǎng)貴州大學(xué)新型光電子材料與技術(shù)研究所Burgers回路回路參考回路參考回路 位錯(cuò)的描述位錯(cuò)的描述, 柏格斯回路柏格斯回路位錯(cuò)的定義：Burgers矢量不為零（b0）的線缺陷Burgers矢量集中反映了位錯(cuò)的特征，并可將位錯(cuò)和其他

10、線缺陷有效地區(qū)分開來貴州大學(xué)新型光電子材料與技術(shù)研究所EF 刃位錯(cuò)：刃位錯(cuò)：b垂直于位錯(cuò)線刃位錯(cuò)的特點(diǎn)：柏格斯矢量b垂直于位錯(cuò)線有多余的半截原子面有固定的滑移面 b貴州大學(xué)新型光電子材料與技術(shù)研究所 螺位錯(cuò)：螺位錯(cuò)： b平行于位錯(cuò)線AB螺位錯(cuò)的特點(diǎn)：柏格斯矢量b平行于位錯(cuò)線整個(gè)晶體形成一螺旋卷面凡是包含位錯(cuò)線的平面均是其滑移面貴州大學(xué)新型光電子材料與技術(shù)研究所 位錯(cuò)與晶體的性質(zhì)位錯(cuò)與晶體的性質(zhì) 幾乎所有晶體中都存在位錯(cuò)，正是由于這些位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致金屬在很低的外加切應(yīng)力的作用下就出現(xiàn)滑移。因此，晶體中位錯(cuò)的存在是造成金屬強(qiáng)度大大低于理論值的最主要原因。 不含位錯(cuò)的金屬晶須的確具有相當(dāng)接近于理論值

11、的強(qiáng)度30 m圖為一根直徑為100 nm的 Ni單晶須，可以彎曲成直徑 為幾十微米的環(huán)狀貴州大學(xué)新型光電子材料與技術(shù)研究所 位錯(cuò)是晶體中的線缺陷，位錯(cuò)線在晶體中形成一畸變的管道在管道內(nèi)及其附近，由于晶格畸變有較大的應(yīng)力集中，在晶體內(nèi)形成應(yīng)力場(chǎng)，位錯(cuò)線附近原子的能量高于正常格點(diǎn)上原子的能量，所以管道內(nèi)及其附近的原子容易被雜質(zhì)原子替代，且易被腐蝕。 晶體表面位錯(cuò)露頭處最容易被腐蝕，選用適當(dāng)?shù)母g液，可觀察到形成錐形的腐蝕坑 螺型位錯(cuò)在晶體表面形成一生長(zhǎng)臺(tái)階，新凝結(jié)的原子最容易沿臺(tái)階集結(jié)，所以晶體生長(zhǎng)中容易沿著螺旋面生長(zhǎng)出新的一層，而且依次排序不會(huì)把臺(tái)階消滅返回返回貴州大學(xué)新型光電子材料與技術(shù)研究所

12、5.4 面缺陷面缺陷 堆垛層錯(cuò) 孿晶界面 晶粒間界貴州大學(xué)新型光電子材料與技術(shù)研究所堆垛層錯(cuò)堆垛層錯(cuò)密堆積結(jié)構(gòu)晶體中的某個(gè)原子層發(fā)生堆積錯(cuò)誤，稱為堆垛層錯(cuò)（stacking fault），如立方密積的fcc晶體中的正常堆積次序：ABCABC ， 若堆垛次序?yàn)锳BCABABC ，則稱發(fā)生層錯(cuò)。孿晶界面孿晶界面孿晶（twin)是一對(duì)連生的晶塊，兩晶塊以特定的取向相交接形成的界面，稱為孿晶界面（twin plane boundary）。貴州大學(xué)新型光電子材料與技術(shù)研究所3. 晶粒間界固體從蒸汽、溶液或熔體中結(jié)晶出來時(shí)，只有在一定條件下，例如有籽晶存在時(shí)，才能形成單晶，而大多數(shù)固體屬于多晶體。多晶是由

13、許多小晶粒組成。這些小晶粒本身可以近似看作單晶，且在多晶體內(nèi)做雜亂排列。多晶體中晶粒與晶粒的交界區(qū)域稱為晶粒間界.貴州大學(xué)新型光電子材料與技術(shù)研究所 晶界結(jié)構(gòu)和性質(zhì)與相鄰晶粒的取向差有關(guān)，當(dāng)取向差小于10時(shí)，晶界稱為小角晶界；當(dāng)取向大于10時(shí)晶界稱為大角度晶界。實(shí)際的多晶材料一般都是大角度晶界，但晶粒內(nèi)部的亞晶界則是小角晶界。最簡(jiǎn)單的小角晶界是對(duì)稱傾斜晶界。 圖中是簡(jiǎn)單立方結(jié)構(gòu)晶體 中界面為（100）面的傾斜 晶界，相當(dāng)于一系列平行 的、伯氏矢量在100方向 上的刃型位錯(cuò)線。 小角晶界具有阻止原子擴(kuò) 散的作用。貴州大學(xué)新型光電子材料與技術(shù)研究所5.5 離子晶體的導(dǎo)電性離子晶體的導(dǎo)電性AX型離子

14、晶體中的點(diǎn)缺陷離子在外電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)離子導(dǎo)電率貴州大學(xué)新型光電子材料與技術(shù)研究所AX型離子晶體中的點(diǎn)缺陷型離子晶體中的點(diǎn)缺陷空位空位正離子空位 （）負(fù)離子空位 （）間隙離子間隙離子正填隙（）負(fù)填隙（） 離子在外電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)離子在外電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng) = 0時(shí)，離子晶體中的點(diǎn)缺陷作無規(guī)的布朗運(yùn)動(dòng)，所 以，不產(chǎn)生宏觀電流. 0時(shí)，離子晶體中帶電的點(diǎn)缺陷在外電場(chǎng)的作用下 發(fā)生定向遷移，從而產(chǎn)生宏觀電流貴州大學(xué)新型光電子材料與技術(shù)研究所 以正填隙離子為例 i設(shè)其電荷為q，外電場(chǎng)：離子在電場(chǎng)中受的力：F=q，附加電勢(shì)能：U(x)=qx離子運(yùn)動(dòng)需越過的勢(shì)壘：向左：12Eq a向右：12Eq aq x0 xU(x)

15、 q a/2Ea貴州大學(xué)新型光電子材料與技術(shù)研究所離子越過勢(shì)壘的頻率： 01216expBEq ak T01216expBEq ak T向右向右向左向左單位時(shí)間內(nèi)，離子凈向右越過勢(shì)壘的次數(shù)：016expexpexp22BBBEq aq ak Tk Tk T01exp32BBEq ashk Tk T貴州大學(xué)新型光電子材料與技術(shù)研究所離子向右運(yùn)動(dòng)的漂移速度d01vexp32BBEq aashk Tk T弱場(chǎng)條件，即12Bq ak T22BBq aq ashk Tk T一般條件下：103 10am 191.6 10.qcoul231.38 10/BkJ K300TK510 V/m貴州大學(xué)新型光電子材

16、料與技術(shù)研究所估算得：45.8 1012Bq ak Td01vexp32BBq aEak Tk T20exp6BBa qEk Tk T20exp6BBa qEk Tk T 離子遷移率離子遷移率貴州大學(xué)新型光電子材料與技術(shù)研究所 離子導(dǎo)電率離子導(dǎo)電率離子定向遷移的電流密度dvjnqnq 其中n為單位體積中正填隙離子數(shù)目 離子導(dǎo)電率：220exp6BBnqaEnqk Tk T填隙離子的擴(kuò)散系數(shù)：201exp6BEDak T貴州大學(xué)新型光電子材料與技術(shù)研究所2BnqDk T Einstein關(guān)系離子導(dǎo)電率與溫度的關(guān)系為：0expQTRT22006BnqakQ為離子導(dǎo)電激活能 0QlnTlnRTQRtg1/Tln( T)ln 0 Arrhenius關(guān)系貴州大學(xué)新型光電子材料與技術(shù)研