1、第四章第四章 晶體中的缺陷晶體中的缺陷實(shí)際晶體實(shí)際晶體：存在著各：存在著各種各樣的結(jié)構(gòu)的不完種各樣的結(jié)構(gòu)的不完整性。整性。缺陷缺陷：把實(shí)際晶體中原子排列與理想晶體的差別稱為晶體缺陷。：把實(shí)際晶體中原子排列與理想晶體的差別稱為晶體缺陷。 理想晶體理想晶體：質(zhì)點(diǎn)嚴(yán)格：質(zhì)點(diǎn)嚴(yán)格按照空間點(diǎn)陣排列。按照空間點(diǎn)陣排列。4.1 晶體缺陷的主要類型晶體缺陷的主要類型晶體缺陷按晶體缺陷按范圍范圍和和尺寸尺寸分類：分類：1、點(diǎn)缺陷：點(diǎn)缺陷：在三維空間各方向上尺寸都很小，原子尺寸在三維空間各方向上尺寸都很小，原子尺寸大小的晶體缺陷。大小的晶體缺陷。2、線缺陷：線缺陷：在三維空間的一個(gè)方向上的尺寸很大另外兩在三維空間

2、的一個(gè)方向上的尺寸很大另外兩個(gè)方向上的尺寸很小個(gè)方向上的尺寸很小(原子尺寸大小原子尺寸大小)的晶體缺陷。其的晶體缺陷。其具體形式就是晶體中的位錯(cuò)。具體形式就是晶體中的位錯(cuò)。3、面缺陷：面缺陷：在三維空間的兩個(gè)方向上的尺寸很大在三維空間的兩個(gè)方向上的尺寸很大,另外另外一個(gè)方向上的尺寸很小一個(gè)方向上的尺寸很小(原子尺寸大小原子尺寸大小)的晶體缺陷。的晶體缺陷。一、點(diǎn)缺陷：一、點(diǎn)缺陷： 填隙原子填隙原子1 1、點(diǎn)缺陷的名稱：、點(diǎn)缺陷的名稱：1 1）空位空位: :在晶格結(jié)點(diǎn)位置應(yīng)在晶格結(jié)點(diǎn)位置應(yīng)有原子的地方空缺，這種有原子的地方空缺，這種缺陷稱為缺陷稱為“空位空位”。 2 2）填隙原子填隙原子在晶格非

3、結(jié)點(diǎn)在晶格非結(jié)點(diǎn)位置，往往是晶格的間隙，位置，往往是晶格的間隙，出現(xiàn)了多余的原子。出現(xiàn)了多余的原子。 空位空位3）雜質(zhì)原子雜質(zhì)原子不同種類的原子替換原不同種類的原子替換原有的原子占據(jù)其應(yīng)有的位置，或進(jìn)有的原子占據(jù)其應(yīng)有的位置，或進(jìn)入間隙位置。入間隙位置。 在實(shí)際晶體內(nèi)部，點(diǎn)缺陷附在實(shí)際晶體內(nèi)部，點(diǎn)缺陷附近，原子排列會(huì)出現(xiàn)畸變，近，原子排列會(huì)出現(xiàn)畸變，其他地方則仍然規(guī)則排列其他地方則仍然規(guī)則排列 雜質(zhì)原子雜質(zhì)原子填隙原子填隙原子雜質(zhì)原子雜質(zhì)原子2、點(diǎn)缺陷的形成：、點(diǎn)缺陷的形成：空位和同類填隙原子的產(chǎn)生和移動(dòng)主要是依靠原子的空位和同類填隙原子的產(chǎn)生和移動(dòng)主要是依靠原子的熱漲落熱漲落熱缺陷熱缺陷（本

4、征缺陷）（本征缺陷）1）夫倫克耳缺陷）夫倫克耳缺陷：由于熱漲落，一個(gè)原子從正常格點(diǎn)跳到間隙位置，同由于熱漲落，一個(gè)原子從正常格點(diǎn)跳到間隙位置，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)空位和一個(gè)填隙原子。時(shí)產(chǎn)生一個(gè)空位和一個(gè)填隙原子。弗倫克爾缺陷的特點(diǎn)弗倫克爾缺陷的特點(diǎn)是是空位和空位和填隙原子同時(shí)出現(xiàn)填隙原子同時(shí)出現(xiàn)，晶體體積，晶體體積不發(fā)生變化，晶體不會(huì)因?yàn)槌霾话l(fā)生變化，晶體不會(huì)因?yàn)槌霈F(xiàn)空位而產(chǎn)生密度變化?，F(xiàn)空位而產(chǎn)生密度變化?？瘴惶钕对涌瘴惶钕对?）肖脫基缺陷）肖脫基缺陷：晶格內(nèi)部晶格內(nèi)部的的原子集聚了足夠的動(dòng)能，遷移到表面位置，原子集聚了足夠的動(dòng)能，遷移到表面位置，而在原來格點(diǎn)處留下空位。而在原來格點(diǎn)處留下空位。

5、 空位空位+表面原子表面原子肖特基缺陷的特點(diǎn)是晶體表面增加了新的原子層，肖特基缺陷的特點(diǎn)是晶體表面增加了新的原子層，晶晶體內(nèi)部只有空位缺陷體內(nèi)部只有空位缺陷，且晶體體積膨脹，密度下降。，且晶體體積膨脹，密度下降。3）雜質(zhì)缺陷）雜質(zhì)缺陷由外加雜質(zhì)的引入所產(chǎn)生的缺陷，亦稱為由外加雜質(zhì)的引入所產(chǎn)生的缺陷，亦稱為組成缺陷組成缺陷。雜質(zhì)缺陷的濃度與溫度無關(guān)。雜質(zhì)缺陷的濃度與溫度無關(guān)。為了有目的地改善器件性能，人為地引入雜質(zhì)原子。為了有目的地改善器件性能，人為地引入雜質(zhì)原子。例如：例如：510個(gè)硅原子個(gè)硅原子摻摻入入一一個(gè)個(gè)硼硼原原子子電導(dǎo)率增加電導(dǎo)率增加 倍倍310硅半導(dǎo)體中：硅半導(dǎo)體中：紅寶石激光器中

6、：紅寶石激光器中： 23Al O剛玉晶體剛玉晶體 Cr 摻摻入入微微量量鉻鉻離離子子形成發(fā)光中心形成發(fā)光中心3、點(diǎn)缺陷對材料性能的一般影響、點(diǎn)缺陷對材料性能的一般影響原因：原因：無論哪種點(diǎn)缺陷的存在，都會(huì)使其附近的原子稍微無論哪種點(diǎn)缺陷的存在，都會(huì)使其附近的原子稍微偏離原結(jié)點(diǎn)位置才能平衡，即造成小區(qū)域的晶格畸變。偏離原結(jié)點(diǎn)位置才能平衡，即造成小區(qū)域的晶格畸變。 效果：效果：1) 改變材料的電阻改變材料的電阻 電阻來源于離子對傳導(dǎo)電子的散射。在完電阻來源于離子對傳導(dǎo)電子的散射。在完整晶體中，電子基本上是在均勻電場中運(yùn)動(dòng)，而在有缺陷整晶體中，電子基本上是在均勻電場中運(yùn)動(dòng)，而在有缺陷的晶體中，在缺陷

7、區(qū)點(diǎn)陣的周期性被破壞，電場急劇變化，的晶體中，在缺陷區(qū)點(diǎn)陣的周期性被破壞，電場急劇變化，因而對電子產(chǎn)生強(qiáng)烈散射，導(dǎo)致晶體的電阻率增大。因而對電子產(chǎn)生強(qiáng)烈散射，導(dǎo)致晶體的電阻率增大。2) 加快原子的擴(kuò)散遷移加快原子的擴(kuò)散遷移 空位可作為原子運(yùn)動(dòng)的周轉(zhuǎn)站。空位可作為原子運(yùn)動(dòng)的周轉(zhuǎn)站。 3) 形成其他晶體缺陷形成其他晶體缺陷 過飽和的空位可集中形成內(nèi)部的空洞，集過飽和的空位可集中形成內(nèi)部的空洞，集中一片的塌陷形成位錯(cuò)。中一片的塌陷形成位錯(cuò)。 4) 由于形成點(diǎn)缺陷需向晶體提供附加的能量，因而由于形成點(diǎn)缺陷需向晶體提供附加的能量，因而引起附加引起附加比熱容。比熱容。 5) 點(diǎn)缺陷還影響其它物理性質(zhì)：如擴(kuò)

8、散系數(shù)、內(nèi)耗、介電常點(diǎn)缺陷還影響其它物理性質(zhì)：如擴(kuò)散系數(shù)、內(nèi)耗、介電常數(shù)等。數(shù)等。 二、線缺陷二、線缺陷 位錯(cuò)位錯(cuò)線缺陷：線缺陷：晶體內(nèi)沿某一條線上附近的原子的排列晶體內(nèi)沿某一條線上附近的原子的排列與完整晶格不相同產(chǎn)生的缺陷與完整晶格不相同產(chǎn)生的缺陷將晶體的上半部分向左平移一個(gè)將晶體的上半部分向左平移一個(gè)原子間距，使晶體內(nèi)有一個(gè)原子原子間距，使晶體內(nèi)有一個(gè)原子平面在晶體內(nèi)部中斷，平面在晶體內(nèi)部中斷，其中斷處其中斷處的邊沿即刃型位錯(cuò)的邊沿即刃型位錯(cuò)1.刃型位錯(cuò)：刃型位錯(cuò)：有刃型位錯(cuò)的晶體有刃型位錯(cuò)的晶體2.螺型位錯(cuò)：螺型位錯(cuò)：將晶體的右半部分向下移動(dòng)一個(gè)原子間距，而在分界線的區(qū)將晶體的右半部分向

9、下移動(dòng)一個(gè)原子間距，而在分界線的區(qū)域形成一螺旋面，域形成一螺旋面，分界線即螺型位錯(cuò)分界線即螺型位錯(cuò) 離位錯(cuò)線較遠(yuǎn)處，原子排列接近于完整晶體；離位錯(cuò)線較遠(yuǎn)處，原子排列接近于完整晶體；離位錯(cuò)線較近處，原子排列有較大錯(cuò)亂離位錯(cuò)線較近處，原子排列有較大錯(cuò)亂3.位錯(cuò)的特征：位錯(cuò)的特征：線缺陷的產(chǎn)生及運(yùn)動(dòng)與材料的韌性、脆性密切相關(guān)。線缺陷的產(chǎn)生及運(yùn)動(dòng)與材料的韌性、脆性密切相關(guān)。三、面缺陷三、面缺陷 1 1、表面、表面在晶體表面，垂直于表面方向上平移對稱性被破壞，在晶體表面，垂直于表面方向上平移對稱性被破壞，是一種面缺陷。是一種面缺陷。單晶體單晶體多晶體多晶體2 2、晶界、晶界內(nèi)部晶體位內(nèi)部晶體位向完全一致

10、向完全一致包含許多的小晶體，包含許多的小晶體，每個(gè)小晶體的內(nèi)部，每個(gè)小晶體的內(nèi)部，晶格位向是均勻一致晶格位向是均勻一致的，而各個(gè)小晶體之的，而各個(gè)小晶體之間，彼此的位向卻不間，彼此的位向卻不相同。相同。晶界附近的原子排列較混亂，晶界附近的原子排列較混亂，是一種面缺陷是一種面缺陷3、堆積層錯(cuò)、堆積層錯(cuò)抽出型層錯(cuò)抽出型層錯(cuò)插入型層錯(cuò)插入型層錯(cuò)就是指正常堆垛順序中引入不正常順序堆就是指正常堆垛順序中引入不正常順序堆垛的原子面而產(chǎn)生的一類面缺陷。垛的原子面而產(chǎn)生的一類面缺陷。4.2 空位、填隙原子的運(yùn)動(dòng)空位、填隙原子的運(yùn)動(dòng)空位和填隙原子的跳躍依靠熱漲落，與溫度緊密相關(guān)?？瘴缓吞钕对拥奶S依靠熱漲落，

11、與溫度緊密相關(guān)。以填隙原子為例說明。以填隙原子為例說明。勢能勢能ABO勢能勢能約為幾個(gè)約為幾個(gè)eV原子熱振動(dòng)能量原子熱振動(dòng)能量:eV210填隙原子的跳躍填隙原子的跳躍靠偶然靠偶然性的熱漲落實(shí)現(xiàn)性的熱漲落實(shí)現(xiàn)TkBe0跳躍率跳躍率:能量超過能量超過的幾率：的幾率：TkBe依靠點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng)，晶體的擴(kuò)散得以實(shí)現(xiàn)依靠點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng)，晶體的擴(kuò)散得以實(shí)現(xiàn)V0：振動(dòng)頻率：振動(dòng)頻率4.3 位錯(cuò)及其滑移位錯(cuò)及其滑移一、滑移一、滑移滑移面滑移面滑移線滑移線滑移面滑移面:由某一平面分割的材料兩邊有相對移動(dòng)，出現(xiàn)的面由某一平面分割的材料兩邊有相對移動(dòng)，出現(xiàn)的面滑移向滑移向:滑移的方向。滑移的方向。一般為原子密度較大的晶

12、面一般為原子密度較大的晶面。如面心立方的（如面心立方的（111）面）面一般為滑移面上原子線密度最高的方向一般為滑移面上原子線密度最高的方向.如面心立方的如面心立方的向向如果晶體的滑移是整體發(fā)生的如果晶體的滑移是整體發(fā)生的,那么使滑移發(fā)那么使滑移發(fā)生的臨界應(yīng)力大約為生的臨界應(yīng)力大約為 , 這一數(shù)值比這一數(shù)值比實(shí)際值高出實(shí)際值高出 個(gè)數(shù)量級個(gè)數(shù)量級21010mN42即：即：理論理論實(shí)際實(shí)際 原因：原因：存在于晶體內(nèi)部的位錯(cuò)極大地降低了產(chǎn)生滑存在于晶體內(nèi)部的位錯(cuò)極大地降低了產(chǎn)生滑移所需的臨界應(yīng)力。移所需的臨界應(yīng)力。一部分原子先運(yùn)動(dòng)一部分原子先運(yùn)動(dòng)（形成位錯(cuò)）（形成位錯(cuò)）位錯(cuò)滑移位錯(cuò)滑移其它原子相繼運(yùn)

13、動(dòng)其它原子相繼運(yùn)動(dòng)晶體沿滑移面的整體滑移晶體沿滑移面的整體滑移二、刃位錯(cuò)二、刃位錯(cuò)(棱位錯(cuò)棱位錯(cuò))的滑移的滑移位錯(cuò)線附近原子結(jié)構(gòu)已有明顯畸變，使原子處于不穩(wěn)位錯(cuò)線附近原子結(jié)構(gòu)已有明顯畸變，使原子處于不穩(wěn)定狀態(tài)，施加較小的切變力定狀態(tài)，施加較小的切變力 ，畸變后的原子將在滑，畸變后的原子將在滑移面上移面上平行平行于切變力方向移動(dòng)；當(dāng)位錯(cuò)線移出，在晶于切變力方向移動(dòng)；當(dāng)位錯(cuò)線移出，在晶體表面形成一個(gè)原子臺(tái)階。體表面形成一個(gè)原子臺(tái)階。類比類比1： 地毯鼓包的移動(dòng)地毯鼓包的移動(dòng)AB AB AB AB AB使地毯一邊隆起一個(gè)鼓包，鼓包從一邊移動(dòng)到另一使地毯一邊隆起一個(gè)鼓包，鼓包從一邊移動(dòng)到另一邊比地毯整塊移動(dòng)所花的力氣要小得多邊比地毯整塊移動(dòng)所花的力氣要小得多類比類比2：蠕動(dòng)模型：蠕動(dòng)模型位錯(cuò)就類似一個(gè)位錯(cuò)就類似一個(gè)“原子地毯原子地毯”的鼓包，幫助原子滑移的鼓包，幫助原子滑移三、螺位錯(cuò)的滑移三、螺位錯(cuò)的滑移類比類比 撕紙撕紙四、刃位錯(cuò)與螺位錯(cuò)的異同四、刃位錯(cuò)與螺位錯(cuò)的異同相