固體物理 電子教案 7.1晶體缺陷的基本類型ppt課件

1、第第 一一 節(jié)節(jié) 晶體缺陷的基本類型晶體缺陷的基本類型7.1.1 7.1.1 點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷7.1.2 7.1.2 線缺陷線缺陷7.1.3 7.1.3 面缺陷面缺陷本節(jié)主要內(nèi)容：本節(jié)主要內(nèi)容：晶體的缺陷晶體的缺陷化學(xué)缺陷：化學(xué)缺陷：沒有雜質(zhì)的具有理想的化學(xué)配比沒有雜質(zhì)的具有理想的化學(xué)配比的晶體中的缺陷，如空位，填隙的晶體中的缺陷，如空位，填隙原子，位錯。原子，位錯。由于摻入雜質(zhì)或同位素，或者化學(xué)由于摻入雜質(zhì)或同位素，或者化學(xué)配比偏離理想情況的化合物晶體中配比偏離理想情況的化合物晶體中的缺陷，如雜質(zhì)，色心等。的缺陷，如雜質(zhì)，色心等。結(jié)構(gòu)缺陷：結(jié)構(gòu)缺陷： 晶體缺陷晶體缺陷（晶格的不完整性）（晶格的不

2、完整性）：晶體中任何對完整周期性：晶體中任何對完整周期性結(jié)構(gòu)的偏離就是晶體的缺陷。結(jié)構(gòu)的偏離就是晶體的缺陷。 點(diǎn)缺陷：它是在格點(diǎn)附近一個或幾個晶格常量范圍內(nèi)的一點(diǎn)缺陷：它是在格點(diǎn)附近一個或幾個晶格常量范圍內(nèi)的一種晶格缺陷，如空位、填隙原子、雜質(zhì)等。種晶格缺陷，如空位、填隙原子、雜質(zhì)等。 由于空位和填隙原子與溫度有直接的關(guān)系，或者說與原子由于空位和填隙原子與溫度有直接的關(guān)系，或者說與原子的熱振動有關(guān)，因此稱他們?yōu)闊崛毕?。的熱振動有關(guān)，因此稱他們?yōu)闊崛毕?。常見的熱缺陷常見的熱缺陷弗侖克爾缺陷弗侖克爾缺陷缺陷分類（按缺陷的幾何形狀和涉及的范圍）：缺陷分類（按缺陷的幾何形狀和涉及的范圍）：點(diǎn)缺陷、線缺

3、陷、面缺陷點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷7.1.1 點(diǎn)缺陷7.1 晶體缺陷的基本類型肖特基缺陷肖特基缺陷弗侖克爾缺陷和肖特基缺陷 當(dāng)晶格中的原子脫離格點(diǎn)后，移到間隙位置形成填隙原當(dāng)晶格中的原子脫離格點(diǎn)后，移到間隙位置形成填隙原子時，在原來的格點(diǎn)位置處產(chǎn)生一個空位，填隙原子和空位成子時，在原來的格點(diǎn)位置處產(chǎn)生一個空位，填隙原子和空位成對出現(xiàn)，這種缺陷稱為對出現(xiàn)，這種缺陷稱為弗侖克爾缺陷弗侖克爾缺陷。弗侖克爾缺陷弗侖克爾缺陷 當(dāng)晶體中的原子脫離格點(diǎn)位置后不在晶體內(nèi)部形成填隙原當(dāng)晶體中的原子脫離格點(diǎn)位置后不在晶體內(nèi)部形成填隙原子，而是占據(jù)晶體表面的一個正常位置，并在原來的格點(diǎn)位置子，而是占據(jù)晶體表面的一個正

4、常位置，并在原來的格點(diǎn)位置產(chǎn)生一個空位，產(chǎn)生一個空位，這種缺陷稱為這種缺陷稱為肖特基缺陷肖特基缺陷。肖特基缺陷肖特基缺陷 構(gòu)成填隙原子的缺陷時，必須使原子擠入晶格的間隙位構(gòu)成填隙原子的缺陷時，必須使原子擠入晶格的間隙位置，所需的能量要比造成空位的能量大些，所以對于大多數(shù)的置，所需的能量要比造成空位的能量大些，所以對于大多數(shù)的情形，特別是在溫度不太高時，肖特基缺陷存在的可能性大于情形，特別是在溫度不太高時，肖特基缺陷存在的可能性大于弗侖克爾缺陷。弗侖克爾缺陷。雜質(zhì)原子 在材料制備中，有控制地在晶體中引入雜質(zhì)原子，若雜質(zhì)在材料制備中，有控制地在晶體中引入雜質(zhì)原子，若雜質(zhì)原子取代基質(zhì)原子而占據(jù)格點(diǎn)位

5、置，則成為原子取代基質(zhì)原子而占據(jù)格點(diǎn)位置，則成為替代式雜質(zhì)替代式雜質(zhì)。 當(dāng)外來的雜質(zhì)原子比晶體本身的原子小時，這些比較小的當(dāng)外來的雜質(zhì)原子比晶體本身的原子小時，這些比較小的外來原子很可能存在于間隙位置，稱它們?yōu)橥鈦碓雍芸赡艽嬖谟陂g隙位置，稱它們?yōu)樘钕妒诫s質(zhì)填隙式雜質(zhì)。填隙式雜質(zhì)的引入往往使晶體的晶格常量增大。色心能吸收可見光的晶體缺陷稱為能吸收可見光的晶體缺陷稱為色心色心。 完善的晶體是無色透明的，眾多的色心缺陷能使晶體呈完善的晶體是無色透明的，眾多的色心缺陷能使晶體呈現(xiàn)一定顏色，典型的色心是心。現(xiàn)一定顏色，典型的色心是心。 把堿鹵晶體在堿金屬的蒸氣中加熱，然后使之聚冷到室溫把堿鹵晶體在堿金

6、屬的蒸氣中加熱，然后使之聚冷到室溫,則原來透明的晶體就出現(xiàn)了顏色，這個過程稱為增色過程，這則原來透明的晶體就出現(xiàn)了顏色，這個過程稱為增色過程，這些晶體在可見光區(qū)各有一個吸收帶稱為些晶體在可見光區(qū)各有一個吸收帶稱為F帶，而把產(chǎn)生這個帶帶，而把產(chǎn)生這個帶的吸收中心叫做的吸收中心叫做F心。心。極化子 電子吸引鄰近的正離子，使之內(nèi)移。排斥鄰近的負(fù)離子，電子吸引鄰近的正離子，使之內(nèi)移。排斥鄰近的負(fù)離子，使之外移，從而產(chǎn)生極化。使之外移，從而產(chǎn)生極化。 負(fù)離子空位和被它俘獲的電子負(fù)離子空位和被它俘獲的電子 電子所在處出現(xiàn)了趨于電子所在處出現(xiàn)了趨于束縛這電子的勢能阱，這種束束縛這電子的勢能阱，這種束縛作用稱

7、為電子的縛作用稱為電子的“自陷自陷”作作用。用。 產(chǎn)生的電子束縛態(tài)稱為自陷態(tài)，同雜質(zhì)所引進(jìn)的局部能產(chǎn)生的電子束縛態(tài)稱為自陷態(tài)，同雜質(zhì)所引進(jìn)的局部能態(tài)有區(qū)別，自陷態(tài)永遠(yuǎn)追隨著電子從晶格中一處移到另一處，態(tài)有區(qū)別，自陷態(tài)永遠(yuǎn)追隨著電子從晶格中一處移到另一處，這樣一個攜帶著周圍的晶格畸變而運(yùn)動的電子，可看作一個準(zhǔn)這樣一個攜帶著周圍的晶格畸變而運(yùn)動的電子，可看作一個準(zhǔn)粒子粒子(電子晶格的畸變），稱為電子晶格的畸變），稱為極化子極化子。7.1.2 線缺陷 當(dāng)晶格周期性的破壞是發(fā)生在晶體內(nèi)部一條線的周圍近鄰，當(dāng)晶格周期性的破壞是發(fā)生在晶體內(nèi)部一條線的周圍近鄰，這就稱為這就稱為線缺陷線缺陷。位錯就是線缺陷。

8、位錯就是線缺陷。1.刃型位錯刃型位錯的位錯線與滑移方向垂直。 設(shè)想晶體的上部沿設(shè)想晶體的上部沿ABEF平面向右推移，平面向右推移， 原來與原來與AB重合，經(jīng)過這樣的推壓后，相對于重合，經(jīng)過這樣的推壓后，相對于AB滑移一個原子間距滑移一個原子間距b，EF是已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的交界線，稱為是已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的交界線，稱為位錯線位錯線。BA ABGHEFA B b刃型位錯刃型位錯刃型位錯刃型位錯螺旋位錯螺旋位錯位錯位錯ABGHEFA B b(a)HEBBCD(b) (b)圖是圖是 (a)圖在晶體中垂直于圖在晶體中垂直于EF方向的一個原子平面的情方向的一個原子平面的情況。況。BE線以上原子向右推移一

9、個原子間距，然后上下原子對線以上原子向右推移一個原子間距，然后上下原子對齊，在齊，在EH處不能對齊，多了一排原子。處不能對齊，多了一排原子。 刃型位錯的另一個特征是位錯線刃型位錯的另一個特征是位錯線EF上帶有一個多余的半上帶有一個多余的半平面，即平面，即 (a)圖中的圖中的EFGH平面，該面在平面，該面在(b)圖中只能看到圖中只能看到EH這這條棱邊。條棱邊。 實(shí)際晶體往往是由許多塊具有完整性結(jié)構(gòu)實(shí)際晶體往往是由許多塊具有完整性結(jié)構(gòu)的小晶體組成的，這些小晶體彼此間的取向有的小晶體組成的，這些小晶體彼此間的取向有著小角傾斜，為了使結(jié)合部分的原子盡可能地著小角傾斜，為了使結(jié)合部分的原子盡可能地規(guī)則排

10、列，就得每隔一定距離多生長出一層原規(guī)則排列，就得每隔一定距離多生長出一層原子面，這些多生長出來的半截原子面的頂端原子面，這些多生長出來的半截原子面的頂端原子鏈就是子鏈就是刃型位錯刃型位錯。小角晶界上的刃型位錯相互平行。小角晶界上的刃型位錯相互平行。 bD 小角晶界上位錯相隔的距離為小角晶界上位錯相隔的距離為, bD b為原子間距，為原子間距， 為兩部分的傾角為兩部分的傾角。2.螺旋位錯 如圖如圖(a)設(shè)想把晶體沿設(shè)想把晶體沿ABCD 平面分為上、下兩部分，將晶體的上、平面分為上、下兩部分，將晶體的上、下做一個位移，下做一個位移，ABCD為已滑移區(qū)，為已滑移區(qū)，AD為滑移區(qū)與未滑移區(qū)的分界線，為

11、滑移區(qū)與未滑移區(qū)的分界線，稱為稱為位錯線位錯線。AAD 螺旋位錯的位錯線與滑移方向平行。(b)(a) (b)圖中的圖中的B點(diǎn)是螺旋位錯線點(diǎn)是螺旋位錯線(上下方上下方向向)的露出點(diǎn)。晶體繞該點(diǎn)右旋一周，原的露出點(diǎn)。晶體繞該點(diǎn)右旋一周，原子平面上升一個臺階子平面上升一個臺階(即一個原子間距即一個原子間距)，圍繞圍繞螺旋位錯線螺旋位錯線的原子面是螺旋面。的原子面是螺旋面。1.晶粒間界 當(dāng)晶格周期性的破壞是發(fā)生在晶體內(nèi)部一個面的近鄰，當(dāng)晶格周期性的破壞是發(fā)生在晶體內(nèi)部一個面的近鄰，這種缺陷為這種缺陷為面缺陷面缺陷。 晶粒之間的交界稱為晶粒之間的交界稱為晶粒間界晶粒間界。晶粒間界內(nèi)原子的排列是。晶粒間界

12、內(nèi)原子的排列是無規(guī)則的。因此這種邊界是無規(guī)則的。因此這種邊界是面缺陷面缺陷。晶粒間界內(nèi)原子排列的結(jié)。晶粒間界內(nèi)原子排列的結(jié)構(gòu)比較疏松，原子比較容易沿晶粒間界擴(kuò)散。構(gòu)比較疏松，原子比較容易沿晶粒間界擴(kuò)散。7.1.3 面缺陷 BCABCABCABCA2.堆垛間界 我們知道金屬晶體常采用立方密積的結(jié)構(gòu)形式，而立方密我們知道金屬晶體常采用立方密積的結(jié)構(gòu)形式，而立方密積是原子球以三層為一組，如果把這樣的一組三層記為積是原子球以三層為一組，如果把這樣的一組三層記為 ABC，則晶面的排列形式為：則晶面的排列形式為： 如從某一晶面開始，晶體的兩部分發(fā)生滑移，比如從某如從某一晶面開始，晶體的兩部分發(fā)生滑移，比如從某C晶面以后整體發(fā)生了滑移，晶面以后整體發(fā)生了滑移，B變成變成A，則晶面的排列形式變成：則晶面的