固體物理中的晶體缺陷

1、固體物理中的晶體缺陷 學(xué)院：化學(xué)化工與生物工程學(xué)院 班級(jí)： 生物1301 學(xué)號(hào)： 131030114 姓名： 李丹丹 固體物理中的晶體缺陷1.國內(nèi)外進(jìn)展及研究意義 1.1 國內(nèi)外對(duì)晶體缺陷的研究現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài) 19世紀(jì)中葉布拉非發(fā)展了空間點(diǎn)陣，概括了點(diǎn)陣周期性的特征，1912年勞厄的晶體X射線衍射實(shí)驗(yàn)成功后，證實(shí)了晶體中原子作規(guī)則排列，從理想晶體結(jié)構(gòu)出發(fā)，人們發(fā)展了離子晶體的點(diǎn)陣?yán)碚摵徒饘俚碾娮永碚?，成功的?jì)算了離子晶體的結(jié)合能，對(duì)于金屬晶體的原子鍵能也有了初步了了解，并很好的解釋了金屬的電學(xué)性質(zhì)。隨后人們又認(rèn)識(shí)到了晶體中原子并非靜止排列，它在晶體中的平衡陣點(diǎn)位置作震動(dòng)，甚至在絕對(duì)零度也不是凝

2、固不動(dòng)的，即還有所謂零點(diǎn)能的作用，從這個(gè)理論出發(fā)建立了點(diǎn)陣震動(dòng)理論，從而建立了固體的比熱理論。在20世紀(jì)20年代以后人們就發(fā)現(xiàn)晶體的許多性質(zhì)很難用理想晶體結(jié)構(gòu)來解釋，提出晶體中有許多原子可能偏離規(guī)則排列，即存在有缺陷，并企圖用此來解釋許多用理想晶體結(jié)構(gòu)無法解釋的晶體性質(zhì)。W.Schottky為了解釋離子晶體的電介電導(dǎo)率問題，提出在晶體中可能由于熱起伏而產(chǎn)生填隙離子和空位，而且發(fā)現(xiàn)食鹽的電介導(dǎo)電率與這些缺陷的數(shù)目有關(guān)。隨后為了解決晶體屈服強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)值與理論估計(jì)之間的巨大差別，又引進(jìn)了位錯(cuò)這一晶體缺陷。今年來人們對(duì)晶體中各種缺陷有了更深刻的認(rèn)識(shí)，建立了晶體缺陷理論。理想晶體在實(shí)際中并不存在。實(shí)

3、際晶體或多或少存在各種雜質(zhì)和缺陷。國內(nèi)外學(xué)者通過使用顯微鏡的對(duì)物質(zhì)性能與缺陷的關(guān)系研究得相當(dāng)多，也在一定意義上取得了可喜的進(jìn)展。1.2 晶體缺陷的研究意義 在晶體的生長及形成過程中，由于溫度、壓力、介質(zhì)組分濃度等外界環(huán)境中各種復(fù)雜因素變化及質(zhì)點(diǎn)熱運(yùn)動(dòng)或受應(yīng)力作用等其他條件的不同程度的影響會(huì)使粒子的排列并不完整和規(guī)則，可能存在空位、間隙粒子、位錯(cuò)、鑲嵌結(jié)構(gòu)等而偏離完整周期性點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，形成偏離理想晶體結(jié)構(gòu)的區(qū)域，我們稱這樣的區(qū)域?yàn)榫w缺陷，它們可以在晶格內(nèi)遷移，以至消失，同時(shí)也可產(chǎn)生新的晶體缺陷。本文就晶體中所存在的各類缺陷做了詳細(xì)說明，并且重點(diǎn)介紹了各類缺陷的成因及其特征。 偏離理想狀態(tài)的不完整

4、晶體，即有某些缺陷的晶體，在晶體中缺陷并不是靜止地、穩(wěn)定不變地存在著，而是隨著各種條件的改變而不斷變動(dòng)的。它們可以產(chǎn)生、發(fā)展、運(yùn)動(dòng)和交互作用而且能合并消失。晶體缺陷對(duì)晶體的許多性能有很大的影響。如電阻上升、磁矯頑力增大、擴(kuò)散速率加快、抗腐蝕性能下降特別對(duì)塑性、強(qiáng)度、擴(kuò)散等，在現(xiàn)實(shí)生活中具有重要的理論研究意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。2.晶體缺陷的主要理論 2.1固溶體的概念凡在固態(tài)條件下，一種組分（溶劑）內(nèi)“溶解”了其它組分（溶質(zhì)）而形成的單一均勻的晶態(tài)固體稱為固體溶液，簡稱固溶體。原組分或含量較高的組分稱為溶劑（主晶相，基質(zhì)），摻雜原子或雜質(zhì)稱為溶質(zhì)。混合尺寸為原子尺度相互混合的，不破壞晶格。固溶體、

5、混合物和化合物的區(qū)別如下表：名稱相組成混合尺度組成結(jié)構(gòu)固溶體單相均勻原子尺度有一定范圍主晶相結(jié)構(gòu)化合物不同于A和B原子尺度一定比例不同于A和B混合物A相和B相不均勻顆粒任意顆粒堆積2.1.2固溶體的分類按溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的位置劃分類 置換型固溶體：進(jìn)入溶劑晶格中正常格點(diǎn)位置，生成取代（置換）型的固溶體，例如 MgO-CaO, PbZrO3-PbTiO3等； 填隙型固溶體：進(jìn)入溶劑晶格中的間隙位置則生成填隙型固溶體。 按溶質(zhì)原子在溶劑晶體中的溶解度分類 連續(xù)固溶體：指溶質(zhì)和溶劑可以按任意比例相互固溶，例如MgO-NiO,Al2O3-Cr2O3, ThO2-WO2,PbZrO3-PbTiO3等

6、； 有限固溶體：表示溶質(zhì)只能以一定的限量溶入溶劑，超過這一限度即出現(xiàn)第二相， 例如MgO-Al2O3,MgO-CaO,ZrO2-CaO等。如在2000時(shí)，有 3wt% CaO 溶入 MgO 中。2.1.3固溶體的研究方法固溶體的生成可以借助相分析和結(jié)構(gòu)分析的方法進(jìn)行研究，因?yàn)椴徽摵畏N類型的固溶體將引起結(jié)構(gòu)及性質(zhì)的變化。最本質(zhì)的方法是用X-射線結(jié)構(gòu)分析測定晶胞常數(shù)，并輔以有關(guān)物性測試，以此來測定固溶體及其組分，鑒別固溶體的類型等。固溶體的類型主要通過測定晶胞常數(shù)并計(jì)算出固溶體的密度與實(shí)驗(yàn)精確測定的密度數(shù)據(jù)對(duì)比來判斷。2.2晶體缺陷晶體結(jié)構(gòu)缺陷的種類繁多，有的是晶格畸變，有的是品格中雜質(zhì)或摻質(zhì)原子

7、缺陷，有的涉及到品體組成的非化學(xué)計(jì)量比，有的對(duì)應(yīng)于電磁結(jié)構(gòu)中有序的躍遷等。人們按照晶體結(jié)構(gòu)缺陷在三維空間延伸的線度，晶體缺陷的幾何形態(tài)以及相對(duì)于晶體的尺寸，或其影響范圍的大小，把它們分為點(diǎn)、線、面、體等四類結(jié)構(gòu)缺陷。 2.2.1點(diǎn)缺陷 晶體中的一些原子被外界原子所代替，或者留有原子空位等，這些變化破壞了晶體規(guī)則的點(diǎn)陣周期性排列，并引起質(zhì)點(diǎn)間勢場的畸變，這樣造成的晶體結(jié)構(gòu)不完整性僅僅局限在某些位置，只影響臨近的幾個(gè)原子，在三維空間方向上的尺度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于晶體或晶粒的尺度，所以稱為點(diǎn)缺陷，點(diǎn)缺陷參與晶體中的質(zhì)量輸運(yùn)與電荷輸運(yùn)過程, 它對(duì)晶體結(jié)構(gòu)敏感性能有時(shí)起到?jīng)Q定性的作用。點(diǎn)缺陷包括點(diǎn)陣原子空位、間隙

8、原子、雜質(zhì)或溶質(zhì)原子以及它們組成的復(fù)雜缺陷空位團(tuán)、空位和雜質(zhì)原子復(fù)合體、色心等。 點(diǎn)缺陷是指：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，可分為：晶格位置缺陷，組成缺陷，電荷缺陷，色心。2.2.1.1晶格位置缺陷 晶格位置缺陷一般指空位和間隙原子所造成的點(diǎn)缺陷，主要是內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)偏離其平衡位置所產(chǎn)生的缺陷，由于原子的熱運(yùn)動(dòng)與溫度有關(guān)，所以這類缺陷的形成主要受溫度影響，也稱為熱缺陷，屬于本征缺陷。 熱缺陷有以下兩種類型：肖特基（Schottky) 缺陷：能量較大的原子遷移到晶體表面正常結(jié)點(diǎn)位置，在內(nèi)部留下空位，這種缺陷叫肖特基缺陷。為保持電中性，正、負(fù)離子空位是成對(duì)產(chǎn)生的，伴隨

9、有晶體體積的增加；弗侖克爾（Frenker）缺陷：熱振動(dòng)中，能量較大的原子離開平衡位置進(jìn)入晶格空隙形成間隙原子而在原來位置上留下空位，這種缺陷叫弗侖克爾缺陷。間隙原子和空位成對(duì)產(chǎn)生，晶體體積不變。對(duì)特定材料，缺陷濃度恒定。其對(duì)比如下表：點(diǎn)缺陷使得原子偏離正常的平衡位置，發(fā)生微量位移，破壞了原子排列的規(guī)律性，造成晶格畸變，使電子在傳導(dǎo)時(shí)散射增加，從而增加了電阻，空位的存在還使晶體密度下降，體積增大，高溫下大量空位存在與運(yùn)動(dòng)使晶體發(fā)生蠕變。高溫快速冷卻保留的或經(jīng)輻照處理后的大量空位還可能形成空位片，或者與其他晶體缺陷發(fā)生交互作用，提高材料的強(qiáng)度，但相對(duì)的韌性下降。空位和間隙原子的運(yùn)動(dòng)是晶體內(nèi)原子擴(kuò)

10、散的內(nèi)部原因，而擴(kuò)散又是燒結(jié)等加工工藝過程的基礎(chǔ)2.2.1.2 組成缺陷 組成缺陷主要是指雜質(zhì)原子進(jìn)入晶體所產(chǎn)生的一類晶體缺陷，這類缺陷不僅破壞了晶體的規(guī)則空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)排列，還會(huì)引起雜質(zhì)原子周圍的周期勢場的變化。雜質(zhì)原子主要分為置換（替代）雜質(zhì)原子和間隙雜質(zhì)原子兩種，雜質(zhì)缺陷的濃度與溫度無關(guān)，主要取決于溶解度和摻雜量，屬于非本征缺陷。 一般雜質(zhì)原子的含量都小于1%，但此含量界限不是必然的，不同晶體和摻入雜質(zhì)均有所區(qū)別。某些雜質(zhì)進(jìn)入主晶格，能在很大的組成范圍內(nèi)“互溶”而不出現(xiàn)新的結(jié)構(gòu)，這樣的現(xiàn)象特別稱為固溶體，固溶體是一種特殊的雜質(zhì)缺陷結(jié)構(gòu)，同時(shí)也是類質(zhì)同像所形成的的混晶結(jié)構(gòu)的反映，類質(zhì)同像混合

11、晶體可以看成 具有極近似晶胞結(jié)構(gòu)和晶胞化學(xué)的一系列晶胞整齊元序的堆垛。如橄欖石(Mg，F(xiàn)e)2SiO4，可以看成Mg2SiO4和 Fe2SiO4 晶胞按一定比例整齊無序的堆垛。由于替代與被替代的質(zhì)點(diǎn)（原子、離子、絡(luò)陰離子或分子）具有極為近似的化學(xué)性質(zhì)，質(zhì)點(diǎn)的替代可在一定范圍進(jìn)行，這種替代不會(huì)引起化學(xué)鍵性和晶體結(jié)構(gòu)形式發(fā)生質(zhì)的變化。自然界礦物中結(jié)晶時(shí)，其晶體結(jié)構(gòu)中廣泛存在離子或離子團(tuán)之間的置換，即一種位置被兩種或兩種以上的不同元素（或基團(tuán)）置換，從而形成一種混晶的礦物結(jié)構(gòu)，稱為替位式固溶體，這種替位式固溶體成為點(diǎn)缺陷中組成缺陷里的特殊情況，只是替代量往往大于1%。 2.2.1.3 電荷缺陷 電荷

12、缺陷也稱為非化學(xué)計(jì)量結(jié)構(gòu)缺陷，存在于非化學(xué)計(jì)量化合物中，由于熱能和其他能量傳遞激發(fā)電子躍遷，產(chǎn)生空穴和電子形成附加電場引起周期勢場的畸變，造成晶體的不完整性。非化學(xué)計(jì)量結(jié)構(gòu)缺陷的形成需要在化合物中或摻入或有多價(jià)態(tài)元素組分，如過渡金屬氧化物。當(dāng)環(huán)境中的氣氛和分壓改變時(shí)，引起化合物的組成偏離化學(xué)計(jì)量關(guān)系，形成電荷缺陷。如在還原氣氛中形成的TiO2-x，晶體機(jī)構(gòu)中缺少氧離子，只有部分鈦離子從四價(jià)變成三價(jià)才可保持電中性。當(dāng)高價(jià)或低價(jià)的雜質(zhì)原子代替晶體中空間點(diǎn)陣中固有的原子，不僅形成了組成缺陷，而且也造成電荷缺陷。例如，純硅中摻入磷和硼，從能量理論分析，磷比硅多了一個(gè)電子，因此磷在禁帶中產(chǎn)生施價(jià)帶主能，

13、易使導(dǎo)帶中產(chǎn)生電子缺陷。在半導(dǎo)體氧化物晶體中，非化學(xué)計(jì)量結(jié)構(gòu)缺陷使晶體的導(dǎo)帶中出現(xiàn)電子或價(jià)帶中出現(xiàn)空穴，生成n型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體。 電荷缺陷的形成不同于點(diǎn)缺陷和組成缺陷的形成，他需要?dú)夥蘸蛪毫ζx熱力學(xué)平衡狀態(tài)。 2.2.1.4色心 色心，由透明晶體中點(diǎn)缺陷、點(diǎn)缺陷對(duì)或點(diǎn)缺陷群捕獲電子或空穴而構(gòu)成的一種缺陷，主要有捕獲電子負(fù)離子空位形成的F色心和正離子空位缺陷捕獲空位形成的V色心，通常產(chǎn)生于堿金屬鹵化物、堿土金屬氟化物和部分金屬氧化物中，如電氣石、天河石、方鈉石、石英等晶體顏色產(chǎn)生機(jī)理都可以用色心理論加以解釋。 2.2.1.5點(diǎn)缺陷的表示方法 凡從理論上定性定量地把材料中的點(diǎn)缺陷看成化學(xué)實(shí)物

14、，并用化學(xué)熱力學(xué)的原理來研究缺陷的產(chǎn)生、平衡及其濃度等問題的一門學(xué)科稱為缺陷化學(xué)。研究對(duì)象主要是晶體缺陷中的點(diǎn)缺陷，由于點(diǎn)缺陷之間會(huì)發(fā)生一系列的缺陷化學(xué)反應(yīng)，類似于化學(xué)反應(yīng)，因而，點(diǎn)缺陷規(guī)定的一套化學(xué)符號(hào)也類似于化學(xué)元素符號(hào)。 以簡要介紹克羅格明克（Krger-vink）符號(hào)：主符號(hào)：缺陷種類；上角標(biāo)：缺陷所帶有效電荷（+·；- -;0）；下角標(biāo)：缺陷所在位置。以MX離子晶體為例（二價(jià)）：空位Vacancy ：VM，Vx，VM，Vx·· VM=VM+2e Vx··=Vx+2 h· ；填隙原子： Mi，Xi；錯(cuò)放位置：Mx表示M原子被錯(cuò)

15、放在X位置上；溶質(zhì)原子：LM，L溶質(zhì)處在M位置上（取代或添隙）；自由電子及空穴：e，h·；所有類型點(diǎn)缺陷的存在都破壞了原有原子間作用力的平衡，造成臨近原子偏離其平衡位置而發(fā)生晶格畸變，使晶格內(nèi)能升高。和其它缺陷不同，點(diǎn)缺陷是一種熱力學(xué)平衡缺陷，其熱平衡濃度可用熱力學(xué)公式G=H-TS 進(jìn)行計(jì)算。所以一般情形下，點(diǎn)缺陷主要影響晶體的物理性質(zhì)，如比容、熱容、電阻率等,而對(duì)金屬力學(xué)性能的影響較小。2.2.2線缺陷 2.2.2.1位錯(cuò)的基本概念 線缺陷指二維尺度很小而第三為尺度很大的缺陷，其特點(diǎn)是兩個(gè)方向上的尺寸很小而另外一個(gè)方向延伸較長，也稱一維缺陷，可被電鏡觀察到，當(dāng)今研究最多的是位錯(cuò)。位

16、錯(cuò)理論是晶體結(jié)構(gòu)缺陷研究的核心，位錯(cuò)的存在不僅影響到晶體的力學(xué)性質(zhì)，而且也影響到晶體的一系列宏觀物理性質(zhì)，如晶體的強(qiáng)度和斷裂等。實(shí)際晶體在結(jié)晶時(shí)，受到溫度、壓力、濃度及雜質(zhì)元素的影響，或由于晶體受到打擊、切削、研磨、擠壓、扭動(dòng)等機(jī)械應(yīng)力的作用，使晶體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)排列變形，原子行列間相互滑移，使晶體某處一列或若干列原子發(fā)生了有規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象，錯(cuò)排區(qū)是管狀畸變區(qū)域即晶體中兩個(gè)尺度較小、一個(gè)尺度較大的原子位置錯(cuò)排區(qū)，我們稱為位錯(cuò)。 位錯(cuò)（線）： 晶體內(nèi)部晶面間的滑移并不是整個(gè)晶面上所有的原子相對(duì)另一個(gè)晶面一起滑移，而是一部分原子可以在其它原子未運(yùn)動(dòng)之前先移動(dòng)，這樣在晶體中就有已滑移部分和未滑移部分，已滑

17、移部分和未滑移部分之間的錯(cuò)位原子線。位錯(cuò)具有Burgers矢量b是位錯(cuò)的重要本質(zhì)。Burgers矢量是位錯(cuò)的單位滑移距離，大小一般等于原子間距；方向總是平行于滑移方向。2.2.2.2位錯(cuò)的分類和特點(diǎn)晶體的線缺陷表現(xiàn)為各種類型的位錯(cuò)其在三維空間兩個(gè)方向上尺寸很小另外一個(gè)方向上延伸較長。晶體中位錯(cuò)的基本類型分為為刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)（如圖）。刃型位錯(cuò)的Burgers矢量與位錯(cuò)線方向垂直；螺型位錯(cuò)的Burgers矢量與位錯(cuò)線方向平行。實(shí)際上位錯(cuò)往往是兩種類型的混合，稱為混合位錯(cuò)。 圖1由于某種原因，晶體的一部分相對(duì)于另一部分出現(xiàn)一個(gè)多余的半原子面，多余的半原子面有如切入晶體的刀片，刀片的刃口線即為位錯(cuò)

18、線，這種缺陷稱為刃型位錯(cuò)，半原子面在上面的稱正刃型位錯(cuò)，半原子面在下面的稱負(fù)刃型位錯(cuò)。刃型位錯(cuò)的主要特點(diǎn)是：有一額外的半原子面，分正和負(fù)刃型位錯(cuò)；可理解為是已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界線，可是直線也可是折線和曲線但它們必與滑移方向和滑移矢量垂直；只能在同時(shí)包含有位錯(cuò)線和滑移矢量的滑移平面上滑移；位錯(cuò)周圍點(diǎn)陣發(fā)生彈性畸變，有切應(yīng)變也有正應(yīng)變；位錯(cuò)畸變區(qū)只有幾個(gè)原子間距，是狹長的管道狀。晶體的某一部分相對(duì)于其余部分發(fā)生滑移，原子平面沿著一根軸線盤旋上升，每繞軸線一周，原子面上升一個(gè)晶面間距，在中央軸線處即為螺型位錯(cuò)。螺形位錯(cuò)的特征為：螺形位錯(cuò)沒有額外半原子面; 螺形位錯(cuò)線是一個(gè)具有一定寬度的細(xì)長的晶格

19、畸變管道,其中只有切應(yīng)變,而無正應(yīng)變; 位錯(cuò)線與滑移方向平行,位錯(cuò)線運(yùn)動(dòng)的方向與位錯(cuò)線垂直。2.2.2.3位錯(cuò)的研究方法位錯(cuò)的研究主要采用顯微鏡觀察表面臺(tái)階， 用顯微鏡觀察腐蝕坑，在透明晶體中用沉淀體綴飾，用透射電鏡觀察，利用X射線的衍射效應(yīng)進(jìn)行直接觀察和測試。用位錯(cuò)密度衡量單晶質(zhì)量的好壞。位錯(cuò)密度：指單位體積位錯(cuò)線的長度（d=nl/Al），通過化簡后，可以用單位截面上的位錯(cuò)線露頭的數(shù)目表示。一般單晶為102-104/cm2，較差的為108-109/cm2。2.2.2.4線缺陷對(duì)材料性能的影響 位錯(cuò)是一種及重要的晶體缺陷，他對(duì)金屬的塑性變形，強(qiáng)度與斷裂有很重要的作用，塑性變形就其原因就是位錯(cuò)的

20、運(yùn)動(dòng)，而強(qiáng)化金屬材料的基本途徑之一就是阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，另外，位錯(cuò)對(duì)金屬的擴(kuò)散、相變等過程也有重要影響。所以深入了解位錯(cuò)的基本性質(zhì)與行為，對(duì)建立金屬強(qiáng)化機(jī)制將具有重要的理論和實(shí)際意義。金屬材料的強(qiáng)度與位錯(cuò)在材料受到外力的情況下如何運(yùn)動(dòng)有很大的關(guān)系。如果位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受到的阻礙較小，則材料強(qiáng)度就會(huì)較高。實(shí)際材料在發(fā)生塑性變形時(shí)，位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)是比較復(fù)雜的，位錯(cuò)之間相互反應(yīng)、位錯(cuò)受到阻礙不斷塞積、材料中的溶質(zhì)原子、第二相等都會(huì)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而使材料出現(xiàn)加工硬化。因此，要想增加材料的強(qiáng)度就要通過諸如：細(xì)化晶粒（晶粒越細(xì)小晶界就越多，晶界對(duì)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)具有很強(qiáng)的阻礙作用）、有序化合金、第二相強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化等手段使

21、金屬的強(qiáng)度增加。以上增加金屬強(qiáng)度的根本原理就是想辦法阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。用位錯(cuò)缺陷解釋晶體生長現(xiàn)象和性質(zhì)。例如，材料的塑性變形，就是位錯(cuò)移動(dòng)的結(jié)果；晶體生長快的原因就是晶體中有螺旋位錯(cuò)存在；位錯(cuò)區(qū)域原子活動(dòng)性較大，能加速物質(zhì)在固體中的擴(kuò)散，有利于燒結(jié)和固相反應(yīng)。2.2.3面缺陷 晶體常常被一些界面分隔成許多小的疇區(qū)，疇區(qū)內(nèi)具有較高的原子排列完整性，疇區(qū)之間的和界面附近存在著較嚴(yán)重的原子錯(cuò)排，此類缺陷發(fā)生于整個(gè)界面，稱為面缺陷，它在一維尺寸小，在另二維尺寸大，可被光學(xué)顯微鏡觀察到，功能多品陶瓷的性能主要取決于面缺陷。 通常，按照界面兩側(cè)的晶體結(jié)構(gòu)關(guān)系將面缺陷分為以下三類：晶界、孿晶界面及平移界面。處

22、于晶體界面上的原子，會(huì)同時(shí)受到晶體內(nèi)部的自身原子和外部介質(zhì)原子或分子的作用力。而這兩個(gè)作用力不會(huì)平衡，內(nèi)部原子對(duì)界面原子的作用力顯著大于外部原子或分子的作用力。這樣，表面原子就會(huì)偏離其正常平衡位置，并因而牽連到鄰近的幾層原子，造成表面層的晶格畸變。2.2.3.1 晶界 晶體結(jié)構(gòu)相同位向不同的晶粒之間的界面稱為晶粒間界，簡稱晶界。在晶粒內(nèi)部可以觀察到直徑在10-100um大小的晶塊，這些晶塊之間的內(nèi)界面就稱為亞晶粒間界，簡稱亞晶界，亞晶界主要是由位錯(cuò)組成。 晶界是結(jié)構(gòu)相同而取向不同晶體之間的界面。在晶界面上，原子排列從一個(gè)取向過渡到另一個(gè)取向，故晶界處原子排列處于過渡狀態(tài)。由于晶界上兩個(gè)晶粒的質(zhì)

23、點(diǎn)排列取向有一定的差異，兩者都力圖使晶界上的質(zhì)點(diǎn)排列符合于自己的取向。當(dāng)達(dá)到平衡時(shí)，晶界上的原子就形成某種過渡的排列。顯然，晶界上由于原子排列不規(guī)則而造成結(jié)構(gòu)比較疏松，因而也使晶界具有一些不同于晶粒的特性。當(dāng)晶界兩側(cè)的晶粒位相差很小時(shí)，晶界基本上是由位錯(cuò)組成，這樣的界面稱為小角度晶界，較簡單的情況是對(duì)稱傾斜晶界，即晶界兩側(cè)的晶粒相對(duì)于晶界對(duì)稱地傾斜了一個(gè)小角度，主要是晶體在生長過程中受熱或機(jī)械應(yīng)力或表面張力作用，位錯(cuò)在交互作用力驅(qū)動(dòng)下相互作用并重新排列而形成一種低能結(jié)構(gòu)?；旧纤械男〗嵌染Ы缍际怯晌诲e(cuò)組成，晶界上的位錯(cuò)密度隨位相差的增大而增大。小角度晶界分為對(duì)稱傾側(cè)晶界、不對(duì)稱傾側(cè)晶界、扭轉(zhuǎn)

24、晶界。當(dāng)晶粒間的位相差增大到一定程度后，位錯(cuò)就難以協(xié)調(diào)相鄰晶粒之間的位相差，形成結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大角度晶界。2.2.3.2 孿晶界面 兩個(gè)或兩個(gè)以上的同種晶體，彼此之間的層錯(cuò)按一定的對(duì)稱關(guān)系相互聯(lián)系而形成的復(fù)合晶體就叫作孿晶。 晶體的成核階段或者其後的成長階段中形成原生孿晶，即質(zhì)點(diǎn)在某個(gè)方向上中斷了按原先的晶格位置所進(jìn)行的堆積，改變?yōu)榘磁c之成孿晶關(guān)系的晶格方位進(jìn)行堆積的結(jié)果，但這種改變并不導(dǎo)致鍵的破壞和晶體內(nèi)能的明顯增大；由高溫變體經(jīng)同質(zhì)多象轉(zhuǎn)變而變?yōu)閷?duì)稱程度較低的低溫變體時(shí)所產(chǎn)生轉(zhuǎn)變孿晶；在晶體形成之后受機(jī)械應(yīng)力 的作用，在部分晶格中的一連串相鄰面網(wǎng)間同時(shí)發(fā)生均勻滑移的范性形變，使滑移部分與未滑移

25、部分的晶格間形成孿晶關(guān)系變成滑移孿晶；某些金屬退火再結(jié)晶時(shí)，通過質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散和晶間界面的變化，容易產(chǎn)生孿晶接合面取代一般的晶間界面而形成退火孿晶。 2.2.3.3 平移界面 界面兩側(cè)晶體以某一特征的非點(diǎn)陣平移相聯(lián)系的稱為平移界面，包括堆垛層錯(cuò)、反向疇界和結(jié)晶切變面，其中，結(jié)晶切變面可以概括的理解為一種特殊的反向疇界。三類平移界面的特點(diǎn)總結(jié)： 2.2.3.4面缺陷對(duì)材料性能的影響 面缺陷的晶界處點(diǎn)陣畸變大，存在晶界能，晶粒長大與晶界平直化使晶界米面積減小，晶界總能量降低，這兩過程通過原子擴(kuò)散進(jìn)行，隨溫度升高與保溫時(shí)間增長，有利于這兩過程的進(jìn)行。面缺陷原子排列不規(guī)則，常溫下晶界對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)起阻礙作用，

26、塑性變形抗力提高，晶界有較高的強(qiáng)度和硬度。晶粒越細(xì)，材料的強(qiáng)度越高，這就是細(xì)晶強(qiáng)化，而高溫下剛好相反，高溫下晶界又粘滯性，使相鄰晶粒產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)。面缺陷處原子偏離平衡位置，具有較高的動(dòng)能，晶界處也有較多缺陷，故晶界處原子的擴(kuò)散速度比晶內(nèi)快。固態(tài)相變中，晶界能量較高，且原子活動(dòng)能力較大，新相易于在晶界處優(yōu)先形核，原始晶粒越細(xì)，晶界越多，新相形核率越大。由于成分偏析和內(nèi)吸附現(xiàn)象，晶界富集雜質(zhì)原子情況下，晶界熔點(diǎn)低，加熱過程中，溫度過高引起晶界熔化與氧化，導(dǎo)致過熱現(xiàn)象。晶界處能量較高，原子處于不穩(wěn)定狀態(tài)，及晶界富集雜質(zhì)原子的緣故，晶界腐蝕速度較快。2.2.4體缺陷 體缺陷是由熱運(yùn)動(dòng)造成的一種半微觀缺陷，它對(duì)晶體的宏觀物理性能往往帶來有害的影響。在三維尺寸較大，如鑲嵌塊，沉淀相，空洞，氣泡等。 3.總結(jié) 到目前為止，晶體缺陷理論的框架已經(jīng)建立，我們對(duì)于各種缺陷