第七章-晶體缺陷-課件

第一節(jié)晶體缺陷的基本類型7.1.1點(diǎn)缺陷7.1.2線缺陷7.1.3面缺陷本節(jié)主要內(nèi)容：1ppt課件晶體的缺陷化學(xué)缺陷：沒(méi)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，填隙原子，位錯(cuò)。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的缺陷，如雜質(zhì)，色心等。結(jié)構(gòu)缺陷：

晶體缺陷（晶格的不完整性）：晶體中任何對(duì)完整周期性結(jié)構(gòu)的偏離就是晶體的缺陷。2ppt課件點(diǎn)缺陷：它是在格點(diǎn)附近一個(gè)或幾個(gè)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。由于空位和填隙原子與溫度有直接的關(guān)系，或者說(shuō)與原子的熱振動(dòng)有關(guān)，因此稱他們?yōu)闊崛毕?。常?jiàn)的熱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）：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3ppt課件１．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子時(shí)，在原來(lái)的格點(diǎn)位置處產(chǎn)生一個(gè)空位，填隙原子和空位成對(duì)出現(xiàn)，這種缺陷稱為弗侖克爾缺陷。弗侖克爾缺陷4ppt課件當(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(gè)正常位置，并在原來(lái)的格點(diǎn)位置產(chǎn)生一個(gè)空位，這種缺陷稱為肖特基缺陷。肖特基缺陷5ppt課件構(gòu)成填隙原子的缺陷時(shí)，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(duì)于大多數(shù)的情形，特別是在溫度不太高時(shí)，肖特基缺陷存在的可能性大于弗侖克爾缺陷。２．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)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)。當(dāng)外來(lái)的雜質(zhì)原子比晶體本身的原子小時(shí)，這些比較小的外來(lái)原子很可能存在于間隙位置，稱它們?yōu)樘钕妒诫s質(zhì)。填隙式雜質(zhì)的引入往往使晶體的晶格常量增大。6ppt課件３．色心能吸收可見(jiàn)光的晶體缺陷稱為色心。完善的晶體是無(wú)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Ｆ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,則原來(lái)透明的晶體就出現(xiàn)了顏色，這個(gè)過(guò)程稱為增色過(guò)程，這些晶體在可見(jiàn)光區(qū)各有一個(gè)吸收帶稱為F帶，而把產(chǎn)生這個(gè)帶的吸收中心叫做F心。４．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，使之外移，從而產(chǎn)生極化。7ppt課件＋－＋－－＋－＋－＋＋－＋－＋－＋－＋＋－＋－－負(fù)離子空位和被它俘獲的電子

電子所在處出現(xiàn)了趨于束縛這電子的勢(shì)能阱，這種束縛作用稱為電子的“自陷”作用。

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(gè)攜帶著周?chē)木Ц窕兌\(yùn)動(dòng)的電子，可看作一個(gè)準(zhǔn)粒子(電子＋晶格的畸變），稱為極化子。8ppt課件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?chē)彛@就稱為線缺陷。位錯(cuò)就是線缺陷。1.刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò)的位錯(cuò)線與滑移方向垂直。設(shè)想晶體的上部沿ABEF平面向右推移，原來(lái)與AB重合，經(jīng)過(guò)這樣的推壓后，相對(duì)于AB滑移一個(gè)原子間距b，EF是已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的交界線，稱為位錯(cuò)線。ABGHEFb刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò)螺旋位錯(cuò)位錯(cuò)9ppt課件ABGHEFb(a)HEB'BCD(b)(b)圖是(a)圖在晶體中垂直于EF方向的一個(gè)原子平面的情況。BE線以上原子向右推移一個(gè)原子間距，然后上下原子對(duì)齊，在EH處不能對(duì)齊，多了一排原子。刃型位錯(cuò)的另一個(gè)特征是位錯(cuò)線EF上帶有一個(gè)多余的半平面，即(a)圖中的EFGH平面，該面在(b)圖中只能看到EH這條棱邊。10ppt課件實(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著小角傾斜，為了使結(jié)合部分的原子盡可能地規(guī)則排列，就得每隔一定距離多生長(zhǎng)出一層原子面，這些多生長(zhǎng)出來(lái)的半截原子面的頂端原子鏈就是刃型位錯(cuò)。小角晶界上的刃型位錯(cuò)相互平行。小角晶界上位錯(cuò)相隔的距離為b為原子間距，為兩部分的傾角。11ppt課件2.螺旋位錯(cuò)如圖(a)設(shè)想把晶體沿ABCD

平面分為上、下兩部分，將晶體的上、下做一個(gè)位移，ABCD為已滑移區(qū)，AD為滑移區(qū)與未滑移區(qū)的分界線，稱為位錯(cuò)線。螺旋位錯(cuò)的位錯(cuò)線與滑移方向平行。(b)(a)(b)圖中的B點(diǎn)是螺旋位錯(cuò)線(上下方向)的露出點(diǎn)。晶體繞該點(diǎn)右旋一周，原子平面上升一個(gè)臺(tái)階(即一個(gè)原子間距)，圍繞螺旋位錯(cuò)線的原子面是螺旋面。12ppt課件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(gè)面的近鄰，這種缺陷為面缺陷。晶粒之間的交界稱為晶粒間界。晶粒間界內(nèi)原子的排列是無(wú)規(guī)則的。因此這種邊界是面缺陷。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。7.1.3面缺陷2.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：13ppt課件如從某一晶面開(kāi)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，B變成A，則晶面的排列形式變成：加的C面成為錯(cuò)位的面缺陷。這一類整個(gè)晶面發(fā)生錯(cuò)位的缺陷稱為堆垛缺陷。如果在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，原來(lái)的Ａ晶面丟失，于是晶面的排列形式變成：加的B晶面便成為錯(cuò)位的面缺陷。14ppt課件第二節(jié)熱缺陷的統(tǒng)計(jì)理論本節(jié)主要內(nèi)容:7.2.1熱缺陷的數(shù)目7.2.2熱缺陷的運(yùn)動(dòng)、產(chǎn)生和復(fù)合15ppt課件7.2.1熱缺陷的數(shù)目平衡狀態(tài)下晶體內(nèi)的熱缺陷數(shù)目可以通過(guò)熱力學(xué)的平衡條件求得。系統(tǒng)處于熱平衡的條件是：系統(tǒng)的自由能F最小。自由能F可表示成如下形式：U是內(nèi)能，S是熵，T是絕對(duì)溫度。由可求熱缺陷的數(shù)目?！欤?2熱缺陷的統(tǒng)計(jì)理論16ppt課件首先假設(shè)晶體中僅存在空位，且空位數(shù)n1比晶體的原子數(shù)N小得多；若每形成一個(gè)空位所需要的能量為u1，并且由于這n1個(gè)空位的形成，晶體的熵改變量為，則自由能的改變量為另外假設(shè)空位的出現(xiàn)，不影響晶格的熱振動(dòng)狀態(tài)。由統(tǒng)計(jì)物理可知，熵1.空位和填隙原子的數(shù)目W代表相應(yīng)的微觀狀態(tài)數(shù)，kB是玻爾茲曼常量。17ppt課件從N個(gè)原子中取出n1個(gè)空位的可能方式數(shù)由于n1個(gè)空位的出現(xiàn)，熵的改變熵S0是由振動(dòng)狀態(tài)決定的，現(xiàn)在由于空位的出現(xiàn)，原子排列的可能方式增加為W1，而每一種排列方式中，都包含了原來(lái)振動(dòng)所決定的微觀狀態(tài)數(shù)W0，所以18ppt課件利用斯特令公式即19ppt課件根據(jù)假設(shè)n1遠(yuǎn)小于N，所以與空位的討論類似，可以得出填隙原子的數(shù)目u2---形成一個(gè)填隙原子所需要的能量。比較n1，n2可以看出，如果造成一個(gè)填隙原子所需要的能量u2比造成一個(gè)空位所需要的能量u1大些，則填隙原子出現(xiàn)的可能性比空位出現(xiàn)的可能性小得多。2.弗侖克爾缺陷的數(shù)目假設(shè)形成一個(gè)弗侖克爾缺陷所需的能量是u(u是將格點(diǎn)上的原子移到間隙位置上所需的能量)。20ppt課件假設(shè)：晶體中有N個(gè)原子，有N′個(gè)間隙位置。當(dāng)晶體中存在n個(gè)弗侖克爾缺陷時(shí)，晶體內(nèi)能的變化為nu，熵的改變與微觀狀態(tài)的改變有關(guān)。從N個(gè)原子中取出n個(gè)原子形成n個(gè)空位的可能方式數(shù)目W′和這n個(gè)原子在N′個(gè)間隙位置上形成填隙原子的方式數(shù)目W″分別為：每一種排列都包含了原來(lái)振動(dòng)所決定的微觀狀態(tài)數(shù)，所以有弗侖克爾缺陷后，晶體的微觀狀態(tài)數(shù)目為：21ppt課件晶體熵的改變?yōu)榫w自由能改變?yōu)橛煽傻茫?2ppt課件7.2.2熱缺陷的運(yùn)動(dòng)、產(chǎn)生和復(fù)合由于填隙原子和空位的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，使得晶格中格點(diǎn)上的原子容易從一處向另一處移動(dòng)。因此研究晶體中原子的輸運(yùn)現(xiàn)象必須研究缺陷的運(yùn)動(dòng)必須研究熱缺陷的產(chǎn)生和復(fù)合過(guò)程---在正常格點(diǎn)位置的原子成為填隙原子所需等待的時(shí)間；

P---單位時(shí)間內(nèi)一個(gè)在正常格點(diǎn)上的原子跳到間隙位置，成為填隙原子的概率；設(shè)晶體有N個(gè)原子構(gòu)成，空位數(shù)目為n1，填隙原子數(shù)目為n2。23ppt課件

P1

---一個(gè)空位在單位時(shí)間內(nèi)從一個(gè)格點(diǎn)位置跳到相鄰格點(diǎn)位置的概率；---空位從一個(gè)格點(diǎn)位置跳到相鄰格點(diǎn)位置所需等待的時(shí)間；

P2---一個(gè)填隙原子在單位時(shí)間內(nèi)從一個(gè)間隙位置跳到相鄰間隙位置的概率；---填隙原子從一個(gè)間隙位置跳到相鄰間隙位置必須等待的時(shí)間；由于空位和填隙原子的跳躍依靠的是熱漲落，因此和溫度有密切的關(guān)系。24ppt課件我們以填隙原子為例來(lái)加以討論。間隙位置是填隙原子在平衡時(shí)所在的位置，從能量觀點(diǎn)來(lái)看，這時(shí)填隙原子的能量最低，以圖中能谷表示。E2填隙原子運(yùn)動(dòng)勢(shì)場(chǎng)示意圖（E2是勢(shì)壘的高度）填隙原子要從一個(gè)間隙位置向另一個(gè)間隙位置運(yùn)動(dòng)，必須克服周?chē)顸c(diǎn)所造成的勢(shì)壘。由于熱振動(dòng)能量的起伏,填隙原子具有一定的概率越過(guò)勢(shì)壘。設(shè)勢(shì)壘的高度為E2，按玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)，在溫度T時(shí)粒子具有能量E2的概率與成正比。如果填隙原子在間隙位置的熱振動(dòng)頻率為02，則單位時(shí)間內(nèi)填隙原子越過(guò)勢(shì)壘的次數(shù)為：25ppt課件

填隙原子跳到相鄰間隙位置所必須等待的時(shí)間為：經(jīng)過(guò)上面的討論，我們可以得到如下結(jié)論：下面我們來(lái)求從正常格點(diǎn)成為填隙原子的概率P。根據(jù)假設(shè)晶體由N個(gè)原子構(gòu)成，其中有n1個(gè)空位，只有仍處在正常格點(diǎn)上的（N－n1）個(gè)原子才能形成填隙原子，26ppt課件每秒所產(chǎn)生的填隙原子數(shù)為(N－n1)P，下面再考慮每秒復(fù)合填隙原子數(shù)。因?yàn)閚1比N小的多，所以(N－n1)P

NP空位數(shù)目與正常格點(diǎn)數(shù)之比為：n1/(N－n1)n1/N，填隙原子每跳一步被復(fù)合的概率為：n1/N，即填隙原子每跳N/n1步就被復(fù)合，它每跳一步所需等待的時(shí)間為2，因此填隙原子的平均壽命為2N/n1。27ppt課件單位時(shí)間內(nèi)填隙原子的復(fù)合概率為n1/2N，每秒復(fù)合掉的填隙原子數(shù)為n1n2/2N。平衡時(shí)，每秒產(chǎn)生和復(fù)合的填隙原子數(shù)相等，由上式得，正常格點(diǎn)形成填隙原子的概率或者除上面討論的填隙原子的運(yùn)動(dòng)外，空位也在運(yùn)動(dòng)，這將使復(fù)合率增加。但在實(shí)際過(guò)程中，這兩種運(yùn)動(dòng)只有一種是主要的。28ppt課件因此考慮復(fù)合時(shí)，只需考慮一種缺陷在運(yùn)動(dòng)，另一種缺陷可相對(duì)地看作是靜止的。當(dāng)空位的運(yùn)動(dòng)為主要時(shí)，原子脫離格點(diǎn)形成填隙原子的概率把下標(biāo)略去，可以寫(xiě)成式中0和E的值，要看哪一種缺陷的運(yùn)動(dòng)為主而定。29ppt課件第三節(jié)晶體中的擴(kuò)散7.3.1擴(kuò)散的宏觀規(guī)律本節(jié)主要內(nèi)容：7.3.2擴(kuò)散的微觀機(jī)構(gòu)30ppt課件§7.3晶體中的擴(kuò)散擴(kuò)散現(xiàn)象的本質(zhì)是粒子無(wú)規(guī)則的布朗運(yùn)動(dòng)。晶體中的擴(kuò)散是指原子在晶體中的遷移過(guò)程。晶體的擴(kuò)散外來(lái)雜質(zhì)原子在晶體中的擴(kuò)散?；|(zhì)原子在晶體中的擴(kuò)散，即自擴(kuò)散。擴(kuò)散都是通過(guò)點(diǎn)缺陷的遷移來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因而實(shí)際晶體中點(diǎn)缺陷的存在是擴(kuò)散現(xiàn)象的前提條件。31ppt課件7.3.1擴(kuò)散的宏觀規(guī)律1.菲克第一定律當(dāng)晶體中某種粒子的濃度不均勻時(shí)，可產(chǎn)生從濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域擴(kuò)散，直到達(dá)到濃度均勻?yàn)橹?。在擴(kuò)散離子濃度不大的情況下，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的擴(kuò)散粒子的量（簡(jiǎn)稱擴(kuò)散流密度）：

D---擴(kuò)散系數(shù)；C---擴(kuò)散粒子的濃度(單位體積內(nèi)擴(kuò)散粒子的數(shù)目，也可以是原子數(shù)或任何其他標(biāo)志物質(zhì)數(shù)量的單位）（D和的單位也隨之改變）；菲克第一定律32ppt課件式中負(fù)號(hào)表示粒子從濃度高處向濃度低處擴(kuò)散。我們假設(shè)D是與濃度無(wú)關(guān)的常數(shù)，則上式變?yōu)?.菲克第二定律菲克第二定律得擴(kuò)散的連續(xù)性方程由上式的解與邊界條件有關(guān)，常用的邊界條件有如下兩種：33ppt課件(1)在單位面積上有Q個(gè)粒子欲向晶體內(nèi)部單方向擴(kuò)散，邊界條件為：而且時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)，晶體內(nèi)部的擴(kuò)散粒子總數(shù)為Q，即在以上條件下，式的解為（2）擴(kuò)散粒子在晶體表面維持一個(gè)不變的濃度C0，邊界條件為：34ppt課件在此條件下，式的解為實(shí)驗(yàn)得出D與溫度的關(guān)系為實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明D0與晶體的熔點(diǎn)Tm之間還存在如下關(guān)系：D0為常數(shù)，稱為頻率因子，ε是擴(kuò)散過(guò)程中的激活能。35ppt課件7.3.2擴(kuò)散的微觀機(jī)構(gòu)從微觀角度來(lái)看，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)是粒子的布朗運(yùn)動(dòng)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)物理學(xué)原理我們已知，粒子的平均平方位移為：其中等式右邊是在若干相等的時(shí)間間隔τ內(nèi)，粒子的位移平方的平均值。擴(kuò)散過(guò)程的主要特點(diǎn)在于擴(kuò)散系數(shù)與溫度T的關(guān)系。在晶體中粒子的位移受晶格周期性的限制，其位移平方的平均值也與晶格周期有關(guān)。36ppt課件晶體粒子的擴(kuò)散有三種方式：離子以填隙原子的形式擴(kuò)散；粒子借助于空位擴(kuò)散；以上兩種方式并存。1.空位機(jī)構(gòu)對(duì)于一個(gè)借助于空位進(jìn)行擴(kuò)散的正常格點(diǎn)上的原子，只有當(dāng)相鄰的各點(diǎn)是空位時(shí)，它才可能跳躍一步，所需等待的時(shí)間是1。但被認(rèn)定的原子相鄰的一個(gè)格點(diǎn)為空位的概率是n1/N，所以它等待到相鄰這一格點(diǎn)為空位并跳到此空位所花的時(shí)間為：對(duì)于簡(jiǎn)單晶格，原子在這段時(shí)間內(nèi)跳過(guò)一個(gè)晶格常量，所以有37ppt課件從上式可以看出，擴(kuò)散過(guò)程和熱激活過(guò)程相聯(lián)系。

u1+E1代表激活能，u1代表空位形成能，當(dāng)u1小時(shí)，空位濃度大，有利于擴(kuò)散進(jìn)行；

E1是擴(kuò)散原子與近鄰的空位交換位置所必須跨越的勢(shì)壘高度，E1小時(shí)，空位熱運(yùn)動(dòng)快。因此u1+E1小時(shí)，D的數(shù)值較大。當(dāng)溫度很低時(shí)，原子的振動(dòng)能小，難以獲得足夠能量跳過(guò)勢(shì)壘E1；溫度很高時(shí)，晶格的振動(dòng)能大，原子容易獲得足夠的能量跳過(guò)勢(shì)壘進(jìn)行擴(kuò)散。38ppt課件2.填隙原子機(jī)構(gòu)AB填隙原子的擴(kuò)散一個(gè)借助于填隙原子進(jìn)行擴(kuò)散的正常格點(diǎn)上的原子，該原子在A點(diǎn)等待了時(shí)間才跳到間隙位置變成填隙原子，然后從一個(gè)間隙位置跳到另一個(gè)間隙位置，當(dāng)它落入與空位相鄰的間隙位置時(shí)，立即與空位復(fù)合，進(jìn)入正常各點(diǎn)B。我們計(jì)算一下該原子從A點(diǎn)到B點(diǎn)所需的時(shí)間，以及AB間的距離的平方。39ppt課件

設(shè)從A點(diǎn)到B點(diǎn)經(jīng)過(guò)f小步，每一小步的距離為xi(i=1，2，…，f)，顯然對(duì)于無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，X的方向是完全雜亂的，必須按均方根值的辦法來(lái)求l，即因?yàn)樗械男〔蕉际峭耆?dú)立的，且如果f是個(gè)大數(shù)，則所以40ppt課件與填隙原子相鄰的一個(gè)格點(diǎn)是空位的概率是n1/N，因此填隙原子跳N/n1小步才能遇到一個(gè)空位與之復(fù)合，所以f=N/n1，如果把每一小步的距離都看作等于a，于是從A點(diǎn)到B點(diǎn)所花費(fèi)的時(shí)間其中2是原子從一個(gè)間隙位置跳到相鄰間隙位置要等待的時(shí)間，由于f是個(gè)大數(shù)，因此上式可以略去1，AB填隙原子的擴(kuò)散41ppt課件42ppt課件一般說(shuō)來(lái)，u2大于u1，所以同樣溫度下，D1要比D2大得多。其中N0是阿伏伽德羅常量，R是摩爾氣體常量，N0ε代表摩爾擴(kuò)散的激活能。對(duì)于空位擴(kuò)散機(jī)構(gòu)，ε=u1+E1；對(duì)于填隙原子機(jī)構(gòu)，ε=u2+E2。因?yàn)橐陨夏Ｐ瓦^(guò)于理想化，實(shí)際晶體中的缺陷，還有線缺陷、面缺陷等，所以人們實(shí)驗(yàn)測(cè)定的一些金屬的自擴(kuò)散系數(shù)比理論值大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。43ppt課件3.雜質(zhì)原子擴(kuò)散雜質(zhì)原子擴(kuò)散性質(zhì)依賴于雜質(zhì)原子在晶體中的存在方式。當(dāng)雜質(zhì)原子以填隙原子的形式存在時(shí)，如果雜質(zhì)原子與空位復(fù)合，由于雜質(zhì)原子小，因此它比較容易再變成填隙原子，因此可以把雜質(zhì)與空位的復(fù)合忽略掉。雜質(zhì)原子的復(fù)合是從一個(gè)間隙位置跳到另一個(gè)間隙位置，每跳一步所花的時(shí)間為：其中0為雜質(zhì)原子的振動(dòng)頻率，E是雜質(zhì)原子從一個(gè)間隙跳到另一個(gè)間隙時(shí)所克服的晶格勢(shì)壘。44ppt課件在此時(shí)間內(nèi)所以填隙式雜質(zhì)原子的擴(kuò)散系數(shù)設(shè)因?yàn)镹遠(yuǎn)大于n2，所以，雜質(zhì)原子的擴(kuò)散系數(shù)比晶體填隙原子的自擴(kuò)散系數(shù)要大得多。例如氫、硼、碳、氮等以填隙的方式存在于鐵中，實(shí)驗(yàn)得出在1100時(shí)，它們?cè)?-鐵中的擴(kuò)散系數(shù)如下表。45ppt課件元素?cái)U(kuò)散系數(shù)（米2/秒）氫硼碳氮鐵當(dāng)雜質(zhì)原子以替代方式出現(xiàn)時(shí)，由于雜質(zhì)原子占據(jù)了正常格點(diǎn)，所以其擴(kuò)散的方式同自擴(kuò)散更為近似，但由于外來(lái)原子和晶體中的基本原子的大小及電荷數(shù)目有所不同，因此當(dāng)它們替代晶體中的原子后，會(huì)引起周?chē)?，使得畸變區(qū)域出現(xiàn)空位的概率大大增加，這樣雜質(zhì)原子跳向空位的概率也加大，也就加快了雜質(zhì)原子的擴(kuò)散，即替代式雜質(zhì)原子的擴(kuò)散系數(shù)比晶體自擴(kuò)散系數(shù)大。46ppt課件第四節(jié)

離子晶體的點(diǎn)缺陷及導(dǎo)電性本節(jié)主要內(nèi)容：7.4.1離子晶體的點(diǎn)缺陷7.4.2離子晶體的導(dǎo)電性47ppt課件§7.4離子晶體的點(diǎn)缺陷及導(dǎo)電性7.4.1離子晶體的點(diǎn)缺陷本節(jié)我們討論熱缺陷在外力作用下的運(yùn)動(dòng)。對(duì)于離子晶體而言，離子導(dǎo)電性就是由于熱缺陷在外電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)引起的。在此，我們只討論典型的A+B-離子晶體，如圖所示。正空格點(diǎn)離子晶體中的缺陷正填隙離子負(fù)空格點(diǎn)+++++++++++++------------負(fù)填隙離子48ppt課件晶體中有四種缺陷，A+填隙離子，A+空位，B-填隙離子和B-空位。由于整個(gè)晶體是保持電中性的，因此，對(duì)于其中的肖特基缺陷，正負(fù)離子空位的數(shù)目是相同的；對(duì)弗侖克爾缺陷則含有相同數(shù)目的正、負(fù)離子空位和正、負(fù)填隙離子。正空格點(diǎn)離子晶體中的缺陷正填隙離子負(fù)空格點(diǎn)+++++++++++++------------負(fù)填隙離子49ppt課件7.4.2離子晶體的導(dǎo)電性a(a)E2(b)(a)填隙離子沿虛線運(yùn)動(dòng)；(b)無(wú)外場(chǎng)；(c)有外電場(chǎng)ε。在沒(méi)有外電場(chǎng)時(shí)，這些缺陷作無(wú)規(guī)則的布朗運(yùn)動(dòng)，不產(chǎn)生宏觀的電流。當(dāng)有外電場(chǎng)存在時(shí)，這些缺陷除作布朗運(yùn)動(dòng)外，還有一個(gè)定向的漂移運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生宏觀電流。正負(fù)電荷漂移的方向是相反的但是由于電荷異號(hào)，正負(fù)電荷形成的電流都是同方向的。(c)50ppt課件

假設(shè)分別代表i種熱缺陷的濃度和漂移速度，則四種缺陷總的電流密度為：假定各熱缺陷的運(yùn)動(dòng)是獨(dú)立的，我們先考慮一個(gè)A+填隙離子在外電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)情況。當(dāng)沒(méi)有外力存在時(shí)，填隙離子沿圖（a）中虛線運(yùn)動(dòng)，它在各個(gè)位置上的勢(shì)能是對(duì)稱的，填隙離子越過(guò)勢(shì)壘向左或向右運(yùn)動(dòng)的概率是一樣的。即運(yùn)動(dòng)是布朗運(yùn)動(dòng)。51ppt課件填隙離子向左、右兩邊跳躍的概率分別為：當(dāng)沿x方向加電場(chǎng)ε時(shí)，一個(gè)正的填隙離子將在原來(lái)的離子勢(shì)能上疊加電勢(shì)能，勢(shì)能曲線變成圖(C)所示的情況，這時(shí)勢(shì)能不再是對(duì)稱的。填隙離子左端的勢(shì)壘增高了，填隙離子右端的勢(shì)壘卻降低了，52ppt課件每秒向左或向右跳動(dòng)的概率，實(shí)際上也可以認(rèn)為是每秒向左或向右跳動(dòng)的步數(shù)，因此每秒向右的凈步數(shù)為：于是向右漂移的速度為一般情況下，電場(chǎng)不很強(qiáng)，上式可化為53ppt課件式中稱為離子遷移率，它與擴(kuò)散系數(shù)D的關(guān)系為上式實(shí)際上是一個(gè)普通的關(guān)系式，不僅限于離子晶體的導(dǎo)電性，這個(gè)關(guān)系稱為愛(ài)因斯坦關(guān)系。填隙離子的定向漂移產(chǎn)生的電流密度則表示為電導(dǎo)率密切依賴于溫度，上式中除了指數(shù)因子中的溫度T外，還應(yīng)注意填隙離子數(shù)n也隨溫度有類似的指數(shù)變化關(guān)系。54ppt課件第七章晶體中的缺陷與擴(kuò)散總結(jié)晶體缺陷的基本類型熱缺陷的統(tǒng)計(jì)理論晶體中的擴(kuò)散離子晶體的點(diǎn)缺陷及導(dǎo)電性55ppt課件1.點(diǎn)缺陷

弗侖克爾缺陷：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子時(shí)，在原來(lái)的格點(diǎn)位置處產(chǎn)生一個(gè)空位，填隙原子和空位成對(duì)出現(xiàn)，這種缺陷稱為弗侖克爾缺陷。按缺陷的幾何形狀和涉及范圍將缺陷分為：點(diǎn)缺陷、線缺陷和面缺陷。晶體缺陷的基本類型晶體缺陷（晶格的不完整性）：晶體中任何