固體物理基礎(chǔ)第2章 缺陷理論

第2章缺陷理論第2章缺陷理論點缺陷線缺陷、面缺陷和體缺陷晶體中的原子擴散1第2章缺陷理論2.1點缺陷點缺陷是晶體中以空位、間隙原子、雜質(zhì)原子為中心，在一個或幾個晶格常數(shù)的微觀區(qū)域內(nèi)，晶格結(jié)構(gòu)偏離嚴格周期性而形成的畸變區(qū)域。簡言之，點缺陷就是畸變區(qū)域在原子尺寸范圍的一種缺陷，也是晶體中最簡單、最常見或者說一定存在的缺陷形式。1第2章缺陷理論2.1.1費侖克爾缺陷如果由于溫度的變化，晶體內(nèi)部各點上的原子或離子獲得足夠能量而移動到晶格間隙位置形成間隙原子，同時在原來的格點位置留下空位(Vacancy)，如圖2.1所示，則把這種空位-間隙原子對稱為費侖克爾(Frenkel)缺陷。顯然，如果晶體中只存在費侖克爾缺陷，則晶體中空位與間隙原子的濃度必然是相等的。設(shè)費侖克爾缺陷的形成能為uf，則由N個原子組成的晶體中所能形成的費侖克爾缺陷的數(shù)目為式中，kB為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對溫度。(2.1)1第2章缺陷理論對式(2.1)可以作簡單的理解：首先，形成能uf并不能使原子脫離晶體，而只是使晶體內(nèi)部原子從格點位置移動到間隙位置，形成一個空位-間隙原子對；其次，根據(jù)熱力學(xué)統(tǒng)計理論，一個原子在溫度為T時，能量達到uf的概率為，這時的原子才可以形成費侖克爾缺陷；另外，N個原子組成的晶體中可形成nf個費侖克爾缺陷，則一個原子形成費侖克爾缺陷的概率為nf/N，于是就有。1第2章缺陷理論2.1.2肖特基缺陷如果由于晶格原子的熱運動，晶格內(nèi)部格點上的原子離開平衡位置而到達晶體表面新的格點位置，這時在晶體內(nèi)部只留下空位，如圖2.2所示，則把這種晶格空位稱為肖特基(Schottky)缺陷。若肖特基缺陷的形成能為us，則N個原子組成的晶體在溫度為T的平衡態(tài)時，所能形成的肖特基缺陷的數(shù)目為(2.2)1第2章缺陷理論圖2.2肖特基缺陷(空位)的形成過程1第2章缺陷理論根據(jù)熱力學(xué)統(tǒng)計理論，晶體中熱缺陷的存在，一方面由于需要形成能而會使晶體的內(nèi)能U增加，另一方面，由于原子排列混亂程度的增加，又會使晶體的組態(tài)熵S增加。根據(jù)系統(tǒng)自由能的表達式：F=U-TS，可以看出，一定量的熱缺陷有可能使晶體的自由能反而下降。根據(jù)自由能極小的條件，就可以求出在熱力學(xué)平衡狀態(tài)下缺陷數(shù)目的統(tǒng)計分布。1第2章缺陷理論以肖特基缺陷為例，設(shè)晶體由N個原子構(gòu)成，溫度為T時形成了ns個空位(肖特基缺陷)，空位形成能為us，由此引起系統(tǒng)內(nèi)能的增加為ΔU=nsus。當晶體中具有ns個空位時，將總共包含N+ns個格點(ns個空格點)。而N個原子占據(jù)N+ns個格點的排列方式為由此引起的組態(tài)熵增為1第2章缺陷理論所以，在忽略晶格振動引起的狀態(tài)變化的情況下，晶體自由能的變化為當系統(tǒng)達到平衡時，自由能取極小值，即再利用斯特令公式可知，當x很大時，有l(wèi)nx!=xlnx-x并考慮到N>>ns，即可得到1第2章缺陷理論2.1.3間隙(填隙)原子同樣是由于晶格的熱運動，如果晶體表面格點上的原子移動到晶格內(nèi)部的間隙位置，則會在晶體內(nèi)部形成間隙原子這種缺陷。根據(jù)間隙原子的形成過程，有時也把這種缺陷稱為反肖特基缺陷。間隙原子的計算公式為式中，ui為間隙原子的形成能。(2.3)1第2章缺陷理論2.1.4反結(jié)構(gòu)缺陷在化合物晶體中，以AB型化合物為例，如果由于某種原因，使得晶格中的A原子離開自己的平衡位置，而占據(jù)了

B原子的格點位置(記為AB)，或者B原子占據(jù)了A的位置(記為BA)，同樣也會破壞晶體原有的周期性，把這種缺陷稱為反結(jié)構(gòu)缺陷。顯然，這種缺陷只有在化合物晶體中才有可能存在。1第2章缺陷理論2.1.5雜質(zhì)晶體中除了自身原子(稱為基質(zhì)原子，Host)以外的原子

均稱為雜質(zhì)(原子)(Impurity)。在晶體材料的制備過程中，由于原材料的純度、生長環(huán)境的潔凈度等方面的原因，都會使

雜質(zhì)原子進入到晶體中，因此，雜質(zhì)是晶體中普遍存在的一

種缺陷。雜質(zhì)原子在晶體中一般有兩種存在形式：一種是處于晶格間隙位置，稱為間隙式(或填隙式)雜質(zhì)；另一種是取代基質(zhì)原子而處于格點位置，稱為替位式雜質(zhì)。間隙式雜質(zhì)原子往往引起晶格較大的畸變，因此通常只有半徑較小的原子(如H、Li、C等)才有可能在晶體中以間隙原子的形式存在。1第2章缺陷理論替位式雜質(zhì)原子由于其原子半徑與基質(zhì)原子之間的差異，往往也會引起晶格的畸變，如圖2.3所示。當雜質(zhì)原子的半徑與晶體的基質(zhì)原子相當，且化學(xué)性質(zhì)也很接近時，就有可能得到很高的雜質(zhì)固溶度，甚至可以形成無限固溶體，比如很多的金屬合金，以及GexSi1-x、GaAsxP1-x等，其中的x可以實現(xiàn)從0到1的連續(xù)變化?？梢?，雜質(zhì)原子能否進入晶體并處于何種位置，除受制備工藝等外界條件限制外，最根本上取決于兩個方面:一方面是雜質(zhì)原子本身的性質(zhì)，包括原子負電性、價態(tài)以及原子半徑；另一方面則是基質(zhì)材料的性質(zhì)，包括硬度、密度、化學(xué)鍵以及晶體結(jié)構(gòu)等。1第2章缺陷理論我們可以通過兩個例子來充分理解雜質(zhì)對晶體宏觀性質(zhì)的重要影響。在γ型鐵(FCC結(jié)構(gòu)，稱為奧氏體)中，存在有一定量的間隙式碳原子(在1148℃時碳原子含量約為2.11%)，快速冷卻(淬火)時，大量的碳原子失去了擴散能力，來不及逃出晶體而滯留在晶體內(nèi)部，引起晶體結(jié)構(gòu)的變化，使鐵的結(jié)構(gòu)變成了α型(BCC結(jié)構(gòu)，稱為馬氏體)。由于BCC結(jié)構(gòu)中

原子排列具有比FCC更強的方向性，因此馬氏體是一種高硬度的產(chǎn)物。這就是鐵變成鋼的基本過程，顯然雜質(zhì)原子C在其中扮演了重要的角色。1第2章缺陷理論再比如，如果在純凈的半導(dǎo)體材料Si中摻入百萬分之一的雜質(zhì)原子(B或P)，這時材料的純度仍高達99.9999%，但其室溫下的電阻率卻由原來的214000Ωcm下降到了約0.2Ωcm(約為原來的百萬分之一)?？梢婋s質(zhì)的引入對半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電能力具有顯著的影響。目前廣泛使用的各種半導(dǎo)體器件和電路就是通過摻雜的方法，在半導(dǎo)體材料中人為地控制所引入的雜質(zhì)的種類和數(shù)量，從而改變半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型和導(dǎo)電能力加以制作的。1第2章缺陷理論2.1.6色心一般來講，在理想的化合物晶體中，不同原子的數(shù)量必

然保持固定的比例，稱為定比定律。在實際的化合物晶體中，通常并不符合定比定律，這些化合物被稱為非化學(xué)計量化合

物。這時，晶體中正離子與負離子的數(shù)目并不存在一個簡單

而固定的比例關(guān)系，這是由于在晶體的生長過程中某種生長

元組分的過量或不足，或者晶體受到某種外界作用(比如輻

照或者在某種特定氣氛中加熱等)，使得晶體中的組成原子

偏離化學(xué)計量而產(chǎn)生了缺陷。為了在產(chǎn)生缺陷的區(qū)域保持電

中性，晶體中的過剩電子或過剩正電荷(空穴)會被束縛在缺陷的位置上，這些束縛在缺陷上的電荷會具有一些1第2章缺陷理論特定的分立能級，能夠吸收特定波長的光子，從而使晶體呈現(xiàn)某些特定的顏色。因此，把晶體中這種特定的點缺陷稱為色心。比如，石英晶體經(jīng)中子輻照后會呈現(xiàn)棕色；再比如，堿金屬鹵化物晶體在其堿金屬蒸氣中加熱并驟冷后，會使原來透明的晶體呈現(xiàn)不同的顏色(比如氯化鈉晶體將變成淡黃色，氟化鉀晶體將變成淡紫色，氟化鋰晶體將變成粉紅色，等等)。上述過程稱為增色過程。反過來，將這些變色的晶體在某種氣氛中加熱，然后慢降溫，使其中的缺陷充分釋放掉，晶格結(jié)構(gòu)恢復(fù)到理想狀態(tài)，則晶體又將再次失去顏色。1第2章缺陷理論從上面的分析可以看到，色心其實就是束縛了特定電荷

的正負離子空位，比如負離子空位束縛電子，正離子空位束

縛空穴，因此也叫做電子陷阱或空穴陷阱。色心的種類很多，目前研究的最為充分的一種色心是F色心。以NaCl為例，

NaCl晶體在Na蒸氣中加熱并驟冷后將呈現(xiàn)淡黃色。這是因為加熱時擴散進入晶體的Na原子在驟冷時來不及逃離晶體而被滯留在晶體內(nèi)部，形成過剩的Na+離子，由于晶體內(nèi)部并不存在過剩的Cl-離子，于是過剩的Na+離子將伴隨相應(yīng)數(shù)目的Cl-離子結(jié)合在晶體中。為了保持電中性，Na原子最外層的價電子將被負離子空位吸引并俘獲。因此F色心就是一個俘獲了電子的負離子空位，即電子陷阱。1第2章缺陷理論類似地，當TiO2晶體中存在氧空位時，氧空位帶兩個單位正

電荷，將俘獲兩個電子，成為一種新的色心，稱為F′色心。色心上的電子能夠吸收一定波長的光，使氧化鈦從黃色變成藍色直至灰黑色。這種存在氧空位的氧化鈦是一種n型半導(dǎo)

體，不能作為介質(zhì)材料使用。TiO2的非化學(xué)計量范圍比較大，可以從TiO到TiO2連續(xù)變化，因此在TiO2的制備過程中要密切注意并控制氧的分壓。另外還有幾種常見的F心，如圖2.4所示。當一種正離子替代晶體中的基質(zhì)正離子并俘獲一個電子時形成變形F心(記為FA心)，〈100〉晶向上兩個相鄰F心組成F2心，(111)晶面上三個最近鄰的F心組成F3心等。1第2章缺陷理論圖2-4中F′心由二價負離子空位俘獲兩個電子構(gòu)成，畫在同一模型中只是為了形成對照。除F心以外，色心中還包含金屬鹵化物在鹵素蒸氣中加熱并驟冷后形成的V心，以及R心、M心、N心等等。1第2章缺陷理論圖2.4晶體中幾種常見F心的模型1第2章缺陷理論2.2線缺陷、面缺陷和體缺陷除2.1節(jié)中介紹的晶體中常見的幾種點缺陷外，晶體中還存在其他的一維、二維或者三維的缺陷，下面逐一進行介紹。2.2.1線缺陷晶體內(nèi)部偏離嚴格周期性的一維缺陷稱為線缺陷。晶體中最重要的一種線缺陷就是位錯，位錯在晶體的機械性能，包括形變、強度、斷裂以及相變等方面起著重要的作用。1第2章缺陷理論位錯是晶體結(jié)構(gòu)中原子排列的一種特殊組態(tài)。在某種外

力的作用下，如果晶體中的某一部分發(fā)生了形變(如壓縮或

拉伸)，則在交界面上就會存在某一列原子的特殊組態(tài)。如圖2.5所示，圖2.5(a)中標出了假想的滑移面，如果設(shè)想晶體的左半部分相對于右半部分沿著水平方向發(fā)生了一定的擠壓，如圖2.5(b)所示，這時晶體中間位置上就會有垂直的一列原子的化學(xué)鍵發(fā)生斷裂，并且在一定范圍內(nèi)引起晶格畸變，而

遠離這一區(qū)域的晶格則基本保持原有的結(jié)構(gòu)。我們把這種一

維缺陷稱為刃型位錯，有時也稱為楔型位錯，就好像人為地

在此處插入了一列原子，而缺陷正好發(fā)生在刀刃上。1第2章缺陷理論為了便于描述，通常把壓縮和拉伸部分的交界面稱為滑移面，而把晶體左半部分沿滑移面向里的移動用一個滑移矢量表示，記為b，也稱為伯格斯矢量。從刃型位錯的形成過程可以發(fā)

現(xiàn)，這種刃位錯具有與滑移方向相垂直的特點。還有另外一種類型的位錯，如圖2.5(c)所示，相當于晶體的左半部分在外力作用下相對于右半部分發(fā)生了向下的扭曲，即滑移矢量b的方向向下，這時的位錯畸變區(qū)域仍將出現(xiàn)在晶體中間位置垂直的一列原子上，于是位錯線與滑移方向平行。顯然，當扭曲的幅度較大，即b模較大時，位錯線將不再是一條直線，而是一條呈螺旋狀的曲線，這也就是為什么把這種位錯稱為螺位錯的原因。1第2章缺陷理論圖2.5晶體中位錯缺陷的形成過程1第2章缺陷理論從上面兩種位錯的形成過程不難看出，位錯的形成主要與晶體中存在的應(yīng)力和形變有關(guān)，因此位錯主要對晶體的機械性能產(chǎn)生影響，并且在晶體生長中起著重要作用。另外，由于位錯線上的原子具有斷裂的化學(xué)鍵(稱為懸掛鍵)，這種未飽和的懸掛鍵可以通過向晶體釋放電子或者從晶體中俘獲電子，從而對晶體的電學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生影響。由于位錯線上的原子化學(xué)性質(zhì)比較活潑，因此其化學(xué)腐蝕速度比其他區(qū)域快，當晶體表面經(jīng)過一定的化學(xué)腐蝕液的腐蝕后，就會在有位錯的地方形成腐蝕坑，結(jié)合晶體的各向異性，這些腐蝕坑往往具有特殊的形狀，正如第1章中講到的金剛石結(jié)構(gòu)(100)和(111)晶面的化學(xué)腐蝕坑分別為正方形和正三角形。1第2章缺陷理論2.2.2面缺陷晶體中偏離嚴格周期性的二維缺陷稱為面缺陷，主要包括表面和界面、層錯、晶粒間界(晶界)等。1第2章缺陷理論1.表面在晶體表面上，由于化學(xué)鍵的斷裂，使晶體的周期性在表面處發(fā)生很大的改變——中止，這些斷裂的化學(xué)鍵(稱為懸掛鍵)非?；顫姡凑漳芰孔畹驮?，它會通過吸附其他粒子或者通過表面原子結(jié)構(gòu)的重組來釋放能量，使自己達到穩(wěn)定的能量狀態(tài)。這里僅以金剛石結(jié)構(gòu)的(100)表面為例作簡單的分析。圖2.6中給出了金剛石結(jié)構(gòu)理想的(100)表面的原子結(jié)構(gòu)圖，俯視圖中最大的圓圈表示頂層原子，次大的圓圈表示第二層原子，實心黑點表示第三層原子。可以看到，這時每一個頂層原子都會與兩個第二層原子以共價鍵結(jié)合，因此每個頂層原子還有兩個未飽和的懸掛鍵。1第2章缺陷理論圖2.6金剛石結(jié)構(gòu)(100)理想表面的原子結(jié)構(gòu)圖1第2章缺陷理論實際情況中，為了進一步降低晶體表面能量，頂層原子會發(fā)生一定的橫向遷移，兩兩靠近并以共價鍵連接，從而使每個頂層原子減少一個懸掛鍵，形成由五個原子組成的環(huán)狀鏈結(jié)構(gòu)，如圖2.7所示，這一過程稱為表面原子的再構(gòu)過程。1第2章缺陷理論圖2.7金剛石結(jié)構(gòu)(100)再構(gòu)表面的原子結(jié)構(gòu)圖1第2章缺陷理論當然，在晶體表面的再構(gòu)過程中，除了頂層原子之間橫向間距發(fā)生變化以外，往往還會發(fā)生縱向間距(即原子層間距)的變化，稱為馳豫。比如在圖2.8所示的金剛石結(jié)構(gòu)(100)再構(gòu)表面的一種扭曲模型中，一個頂層原子(大圓圈)有所上升，使得與之相連的兩個第二層原子(小圓圈)靠近一些(如圖中箭頭所指)，與此同時，相鄰的另一個頂層原子有所下降(用中圓圈表示)，使得兩個第二層原子遠離一些(見圖中箭頭所指)，這時就會形成一種扭曲變形的再構(gòu)表面。關(guān)于晶體的表面，有很多專門的書籍中進行了詳細的分析，因此本書不再做過多的討論。1第2章缺陷理論圖2.8金剛石結(jié)構(gòu)(100)再構(gòu)表面的一種扭曲模型1第2章缺陷理論2.層錯層錯也叫堆垛層錯，就是指晶體中原子面之間按照某種規(guī)則(堆垛次序)排列時局部發(fā)生紊亂而形成的缺陷。比如在第1章中我們已經(jīng)知道，六方密堆積(HCP)結(jié)構(gòu)沿［0001］晶向就是密排原子面按ABAB…的方式排列，而立方密堆積

(FCC)沿［111］晶向則是密排原子面按照ABCABC…的方式排列。如果在FCC結(jié)構(gòu)中原子面的排列順序發(fā)生了局部的錯誤，則會形成層錯缺陷，這時會出現(xiàn)三種情況：第一種情況相當于在原來的排列次序中插入了一層原子，如

ABCAB(A)C…；第二種情況相當于在原來的排列次序中抽

掉了一層原子，如AB(

)ABC…；第三種情況則相當于兩個

FCC背靠背連接在一起(稱為孿晶)，如…ABCABACBA

…。1第2章缺陷理論不難發(fā)現(xiàn)，這三種情況產(chǎn)生的層錯缺陷中都有一個共同特點，即都相當于在原來的FCC結(jié)構(gòu)中形成了一個局部的HCP結(jié)構(gòu)，這是層錯的一個重要特征。當然，層錯還有另外一個特點，也很好理解，比如在FCC結(jié)構(gòu)的形成過程中，A層下來排B層，而B層下來排C層還是排A層的概率卻是相

當?shù)?，即所需能量的差異很小，但結(jié)果卻是不同的：前一種排法得到的是FCC結(jié)構(gòu)，而后一種排法則會形成一個層錯缺陷。這就表明層錯是一種低能量的缺陷，在晶體中也是普遍存在的。1第2章缺陷理論在層錯的研究中還發(fā)現(xiàn)了一個很有意義的現(xiàn)象，那就是如果層錯出現(xiàn)了規(guī)律性的變化，即產(chǎn)生了某種周期性，稱為缺陷有序化，那么這種缺陷的周期性疊加在晶體原有的周期性上就會形成一種新的排列方式，相當于產(chǎn)生了一種新的晶體結(jié)構(gòu)。這種現(xiàn)象在目前第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料碳化硅

(SiC)的研究中表現(xiàn)得最為充分。SiC是一種二元化合物半導(dǎo)體，屬于共價晶體，如果把［111］晶向上的Si-C雙層原子面看做一個整體，仍然使它沿［111］晶向作ABCABC…排

列時，則得到的是一種立方晶系的閃鋅礦結(jié)構(gòu)，稱之為3C-

SiC(或β-SiC)；如果排列方式是ABAB…時，得到的是六方晶系的2H-SiC；而排列方式是ABCBABCBA…時，1第2章缺陷理論得到的則是六方晶系的4H-SiC；當然還有ABCACBABCACB…的6H-SiC，等等，如圖2.9所示。SiC晶體的諸多結(jié)構(gòu)中，除了3C-以外的其他結(jié)構(gòu)統(tǒng)稱為α-SiC。

SiC材料具有不同晶體結(jié)構(gòu)的這種現(xiàn)象稱為同型異構(gòu)現(xiàn)象，這就是層錯出現(xiàn)了有序化的一種表現(xiàn)。目前已經(jīng)研究確定的

SiC的結(jié)構(gòu)超過了200種，而理論上它顯然可以具有無窮多種結(jié)構(gòu)。但由于層錯是一種低能量的缺陷，不同結(jié)構(gòu)的分離和制備顯然是一件非常困難的工作，目前能夠成功控制生長的

SiC結(jié)構(gòu)主要有3C-、4H-和6H-SiC等。1第2章缺陷理論需要指出的是，盡管缺陷有序化的概念是基于層錯提出來的，但它同樣適用于其他各種缺陷，比如點缺陷、線缺陷、面缺陷以及下面提到的體缺陷，只要能夠使某種缺陷具有一定的規(guī)律性，就可以改變或者控制晶體的某些宏觀性質(zhì)。這實際上就是目前很多人工材料制備技術(shù)的理論基礎(chǔ)。1第2章缺陷理論圖2.10晶粒間界1第2章缺陷理論圖2.11小角晶界1第2章缺陷理論孿晶界是各種晶界中最特殊也是最簡單的一種。孿晶是指兩個晶體或一個晶體中的兩個相鄰部分沿一個公共晶面具有鏡像對稱的關(guān)系，這時的公共晶面稱為孿晶面，如圖2.12所示。孿晶面上的原子同時被孿晶的兩部分晶體所共有，這樣的界面稱為共格界面。孿晶之間的界面稱為孿晶界，孿晶界往往就是孿晶面，即共格孿晶界。但有時孿晶界也可以與孿晶面不重合，如圖2.13所示，這時的孿晶界稱為非共格孿晶界。1第2章缺陷理論圖2.12

FCC晶體中的孿晶結(jié)構(gòu)1第2章缺陷理論圖2.13非共格孿晶界示意圖1第2章缺陷理論顯然，孿晶的形成與層錯有著密切的關(guān)系。正如圖2.12所示，F(xiàn)CC結(jié)構(gòu)的晶體沿〈111〉晶向為密堆積結(jié)構(gòu)，當密排原子面的堆垛次序從某一層(如圖中的B層)開始發(fā)生顛倒(局部出現(xiàn)HCP結(jié)構(gòu))時，上下兩部分晶體就形成了鏡像對稱的孿晶關(guān)系?？梢?，F(xiàn)CC結(jié)構(gòu)晶體的孿晶面為(111)面。而不同結(jié)構(gòu)的晶體，將會在特定的晶向上形成孿晶結(jié)構(gòu)，比如，

BCC結(jié)構(gòu)晶體的孿晶面為(112)面。當孿晶界就是孿晶面時，由于界面上的原子沒有發(fā)生錯排現(xiàn)象，晶體中基本不存在畸

變區(qū)域，因此這種共格孿晶界就是一種低能量的層錯缺陷。1第2章缺陷理論2.2.3體缺陷晶體中偏離嚴格周期性的三維缺陷稱為體缺陷，主要包括包裹體、氣泡和空洞等，其中比較重要的是包裹體。包裹體是晶體生長過程中界面捕獲的夾雜物，它可能是晶體生長原料的某一過量組分形成的固體顆粒，也可能是晶體生長中引入的雜質(zhì)微粒。這是一種嚴重影響晶體性質(zhì)的缺陷，由于包裹體的熱膨脹系數(shù)與晶體材料通常不一樣，因此在晶體生長過程中會產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力，導(dǎo)致晶體形變以及位錯等其他缺陷的形成。如果單晶生長中形成了少量的多晶微粒，則相當于單晶中的體缺陷，否則形成的整個晶體為多晶材料。1第2章缺陷理論前面介紹了晶體中存在的各種缺陷，通常情況下晶體中的絕大多數(shù)缺陷是不受人力控制的，因此我們在制備晶體材料時總是會盡可能地通過各種途徑，比如提高原料的純度、生長環(huán)境的潔凈度、精確控制生長溫度、生長速率、原料配比等，以減少缺陷的種類和數(shù)量，進而提高晶體的純度以及結(jié)晶質(zhì)量。在此基礎(chǔ)上，進一步通過對某些缺陷(如雜質(zhì)等)的數(shù)量和分布的精確控制，實現(xiàn)對晶體宏觀性質(zhì)的控制。1第2章缺陷理論2.3晶體中的原子擴散與氣體和液體類似，晶體中的原子也存在布朗運動，只

是由于晶體中原子所受到的束縛更大，原子運動的能力更弱，使得這種布朗運動的過程更加漫長而已。晶體的溫度是其原

子熱運動劇烈程度的反映，因此，提高溫度可以加速晶體中

原子布朗運動的過程。如果晶體中不同部分存在某種原子的

濃度差(濃度梯度)，該種原子則可以借助布朗運動而沿著濃度梯度的方向產(chǎn)生定向的漂移運動，這就是晶體中原子的擴

散運動。從原子的角度來講，晶體中的擴散可分為基質(zhì)原子

擴散(也稱為自擴散)和雜質(zhì)原子擴散，顯然研究晶體中雜質(zhì)原子擴散的意義更大一些。1第2章缺陷理論2.3.1擴散的必要條件實現(xiàn)晶體中原子的擴散必須滿足一定的條件。首先，濃

度梯度是原子擴散的根本原因，如果不存在原子的濃度梯度，即使原子布朗運動的程度很劇烈，也不可能產(chǎn)生原子的定向

漂移運動；其次，溫度是擴散的外界條件，晶體中原子運動

的能力有限，必須在一定的溫度下，晶體中原子才能獲得足

夠的能量形成定向運動；第三，原子擴散還必須借助一定的

途徑，即擴散機制(或擴散方式)，比如，對雜質(zhì)原子而言，如果晶體具有理想的結(jié)晶完整性，它必然對雜質(zhì)原子具有很

強的排斥性，這時雜質(zhì)原子的運動就非常困難了。根據(jù)前兩

節(jié)的介紹，實際晶體中往往存在各種缺陷，這樣的話1第2章缺陷理論原子就可以借助缺陷實現(xiàn)在晶體中的擴散運動。晶體中原子的擴散運動就可以這樣來理解：高溫時，如果晶體中存在某種原子的濃度梯度，則晶體中原子就會借助無規(guī)則熱運動(布朗運動)，通過缺陷而在晶體中產(chǎn)生定向的漂移運動，即擴散。1第2章缺陷理論2.3.2擴散的微觀機制根據(jù)晶體中原子級缺陷(點缺陷)的特點，擴散的機制主要包括以下四種。1.空位機制在一定的溫度下，晶體中總會存在一定數(shù)量的空位(肖

特基缺陷)，一個在空位旁邊的原子就有機會跳入空位之中，使自己原來的位置變成空位，而另外的近鄰原子也可能占據(jù)這個新形成的空位，從而使空位繼續(xù)運動，這就是空位擴散機制，如圖2.14所示。1第2章缺陷理論圖2.14空位的運動1第2章缺陷理論圖2.15間隙原子擴散示意圖1第2章缺陷理論圖2.16復(fù)合擴散機制示意圖1第2章缺陷理論4.易位機制相鄰原子對調(diào)位置或是通過循環(huán)式的對調(diào)位置，從而實現(xiàn)原子的遷移和擴散，稱為易位擴散機制，如圖2.17所示。此種擴散要求相鄰的兩個原子或更多的原子必須同時獲得足夠的能量，以克服其他原子的作用，從而離開平衡位置而實現(xiàn)易位，因而這種過程必然會引起晶格較大的畸變，所以實現(xiàn)的可能性很小，在原子擴散中不可能起主導(dǎo)作用。前三種占主導(dǎo)地位的擴散機制，其實質(zhì)都是晶體中點缺陷的遷移過程。1第