晶體結(jié)構(gòu)缺陷的類型.ppt

第二章 晶體結(jié)構(gòu)缺陷,缺陷的含義：通常把晶體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)中周期性勢(shì)場(chǎng)的畸變稱為晶體的結(jié)構(gòu)缺陷。 理想晶體：質(zhì)點(diǎn)嚴(yán)格按照空間點(diǎn)陣排列。 實(shí)際晶體：存在著各種各樣的結(jié)構(gòu)的不完整性。,研究缺陷的意義：由于缺陷的存在，才使晶體表現(xiàn)出各種各樣的性質(zhì)，使材料加工、使用過程中的各種性能得以有效控制和改變，使材料性能的改善和復(fù)合材料的制備得以實(shí)現(xiàn)。因此，了解缺陷的形成及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，對(duì)材料工藝過程的控制，對(duì)材料性能的改善，對(duì)于新型材料的設(shè)計(jì)、研究與開發(fā)具有重要意義。,缺陷對(duì)材料性能的影響舉例: 材料的強(qiáng)化，如鋼是鐵中滲碳 陶瓷材料的增韌 半導(dǎo)體摻雜,本章主要內(nèi)容：,2.1 晶體結(jié)構(gòu)缺陷的類型 2. 2 點(diǎn)缺陷 2.3 線缺陷 2.4 面缺陷 2.5 固溶體 2.6 非化學(xué)計(jì)量化合物,掌握缺陷的基本概念、分類方法； 掌握缺陷的類型、含義及其特點(diǎn)； 熟練書寫點(diǎn)缺陷的缺陷反應(yīng)方程式、化學(xué)平衡方法計(jì)算熱缺陷的濃度； 了解缺陷在材料性能的改善、新型材料的設(shè)計(jì)、研究與開發(fā)中的意義。,本章要求掌握的主要內(nèi)容：,2.1 晶體結(jié)構(gòu)缺陷的類型,分類方式： 幾何形態(tài)：點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷等 形成原因：熱缺陷、雜質(zhì)缺陷、非化學(xué)計(jì)量缺陷等,一、按缺陷的幾何形態(tài)分類,本征缺陷,雜質(zhì)缺陷,點(diǎn)缺陷 零維缺陷,線缺陷 一維缺陷,位錯(cuò),面缺陷 二維缺陷,小角度晶界、大角度晶界,攣晶界面,堆垛層錯(cuò),體缺陷 三維缺陷,包藏雜質(zhì),沉淀,空洞,1. 點(diǎn)缺陷（零維缺陷） Point Defect 缺陷尺寸處于原子大小的數(shù)量級(jí)上，即三維方向上缺陷的尺寸都很小。,包括：空位（vacancy） 間隙質(zhì)點(diǎn)（interstitial particle） 錯(cuò)位原子或離子 外來原子或離子（雜質(zhì)質(zhì)點(diǎn)）（foreign particle） 雙空位等復(fù)合體,點(diǎn)缺陷與材料的電學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)、材料的高溫動(dòng)力學(xué)過程等有關(guān)。,Now What Do You See?,Vacancy,Interstitial, Vacancies:,-vacant atomic sites in a structure., Self-Interstitials:,-“extra“ atoms positioned between atomic sites.,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,Impurities in Ceramics,2. 線缺陷（一維缺陷）位錯(cuò)(dislocation),指在一維方向上偏離理想晶體中的周期性、規(guī)則性排列所產(chǎn)生的缺陷，即缺陷尺寸在一維方向較長(zhǎng)，另外二維方向上很短。如各種位錯(cuò)（dislocation），如圖所示。 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)。,刃型位錯(cuò),刃型位錯(cuò)示意圖：(a)立體模型;(b)平面圖,晶體局部滑移造成的刃型位錯(cuò),螺型位錯(cuò),(b),螺型位錯(cuò)示意圖:（a）立體模型 ；（b）平面圖,螺型位錯(cuò)示意圖,3.面缺陷,面缺陷又稱為二維缺陷，是指在二維方向上偏離理想晶體中的周期性、規(guī)則性排列而產(chǎn)生的缺陷，即缺陷尺寸在二維方向上延伸，在第三維方向上很小。如晶界、表面、堆積層錯(cuò)、鑲嵌結(jié)構(gòu)等。 面缺陷的取向及分布與材料的斷裂韌性有關(guān)。,面缺陷晶界,晶界示意圖,亞晶界示意圖,晶界: 晶界是兩相鄰晶粒間的過渡界面。由于相鄰晶粒間彼此位向各不相同，故晶界處的原子排列與晶內(nèi)不同，它們因同時(shí)受到相鄰兩側(cè)晶粒不同位向的綜合影響，而做無規(guī)則排列或近似于兩者取向的折衷位置的排列，這就形成了晶體中的重要的面缺陷。 亞晶界: 實(shí)驗(yàn)表明，在實(shí)際金屬的一個(gè)晶粒內(nèi)部晶格位向也并非一致，而是存在一些位向略有差異的小晶塊（位向差一般不超過2)。這些小晶塊稱為亞結(jié)構(gòu)。亞結(jié)構(gòu)之間的界面稱為亞晶界。,面缺陷堆積層錯(cuò) 面心立方晶體中的抽出型層錯(cuò)(a)和插入型層錯(cuò)(b),面缺陷共格晶面 面心立方晶體中111面反映孿晶,熱缺陷,雜質(zhì)缺陷,二 按缺陷產(chǎn)生的原因分類,非化學(xué)計(jì)量缺陷,晶體缺陷,電荷缺陷,輻照缺陷,1. 熱缺陷,類型:弗侖克爾缺陷（Frenkel defect）和肖特基缺陷（Schottky defect）,定義:熱缺陷亦稱為本征缺陷，是指由熱起伏的原因所產(chǎn)生 的空位或間隙質(zhì)點(diǎn)（原子或離子）。,熱缺陷濃度與溫度的關(guān)系:溫度升高時(shí)，熱缺陷濃度增加,T E 熱起伏(漲落) E原子 E平均 原子脫離其平衡位置 在原來位置上產(chǎn)生一個(gè)空位,熱缺陷產(chǎn)生示意圖,（a）單質(zhì)中弗侖克爾缺陷的形成（空位與間隙質(zhì)點(diǎn)成對(duì)出現(xiàn)）,（b）單質(zhì)中的肖特基缺陷的形成, 表面位置 (間隙小/結(jié)構(gòu)緊湊), 間隙位置 (結(jié)構(gòu)空隙大),Frenkel 缺陷,M X:,Schottky 缺陷,2. 雜質(zhì)缺陷,特征:如果雜質(zhì)的含量在固溶體的溶解度范圍內(nèi)，則雜質(zhì)缺陷的濃度與溫度無關(guān)。 雜質(zhì)缺陷對(duì)材料性能的影響,定義:亦稱為組成缺陷，是由外加雜質(zhì)的引入所產(chǎn)生的缺陷。,基質(zhì)原子,雜質(zhì)原子,取代式,間隙式,能量效應(yīng),體積效應(yīng),體積效應(yīng),3. 非化學(xué)計(jì)量缺陷,特點(diǎn): 其化學(xué)組成隨周圍氣氛的性質(zhì)及其分壓大小而變化。是一種半導(dǎo)體材料。,定義: 指組成上偏離化學(xué)中的定比定律所形成的缺陷。它是由基質(zhì)晶體與介質(zhì)中的某些組分發(fā)生交換而產(chǎn)生。如Fe1xO、Zn1+xO等晶體中的缺陷。,電荷缺陷：質(zhì)點(diǎn)排列的周期性未受到破壞，但因電子或空穴 的產(chǎn)生，使周期性勢(shì)場(chǎng)發(fā)生畸變而產(chǎn)生的缺陷； 包括：導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴,4. 其它原因，如電荷缺陷，輻照缺陷等,輻照缺陷：材料在輻照下所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)不完整性； 如：色心、位錯(cuò)環(huán)等； 輻照缺陷對(duì)金屬的影響：高能輻照（如中子輻照），可把原子從正常格點(diǎn)位置撞擊出來，產(chǎn)生間隙原子和空位。 降低金屬的導(dǎo)電性并使材料由韌變硬變脆。退火可排除損失。 輻照缺陷對(duì)非金屬晶