1、第三章第三章 晶体结构缺陷晶体结构缺陷3.1 缺陷的类型缺陷的类型 Chapter 3 Crystal Structure Defect3.1 缺陷的类型缺陷的类型 3.2 点缺陷（点缺陷（point defect）3.3 固溶体（固溶体（solid solution）3.4 非化学计量化合物非化学计量化合物 （nonstoichiometric compound）3.5 线缺陷（线缺陷（line defect）3.6 面缺陷（面缺陷（face defect）第三章第三章 晶体结构缺陷晶体结构缺陷3.1 缺陷的类型缺陷的类型 晶体结构缺陷的含义：晶体结构缺陷的含义：晶体点阵结构中周期性势场的畸
2、变。晶体点阵结构中周期性势场的畸变。Ideal crystal：质点严格按照空间点阵排列。：质点严格按照空间点阵排列。Actual crystal：存在各种各样的结构不完整性。：存在各种各样的结构不完整性。缺陷对材料性能的影响缺陷对材料性能的影响:导电性、颜色、发光、材料高温动力学过程导电性、颜色、发光、材料高温动力学过程第三章第三章 晶体结构缺陷晶体结构缺陷3.1 缺陷的类型缺陷的类型 3.1 缺陷的类型缺陷的类型 分类方式：分类方式：几何形态几何形态：点缺陷、线缺陷、面缺陷等：点缺陷、线缺陷、面缺陷等形成原因形成原因：热缺陷、杂质缺陷、非化学计量缺陷等：热缺陷、杂质缺陷、非化学计量缺陷等第
3、三章第三章 晶体结构缺陷晶体结构缺陷3.1 缺陷的类型缺陷的类型 一、按缺陷的几何形态分类一、按缺陷的几何形态分类 1.点缺陷（点缺陷（point defect）2.线缺陷（线缺陷（line defect）3.面缺陷（面缺陷（face defect）4.体缺陷（体缺陷（body defect）第三章第三章 晶体结构缺陷晶体结构缺陷3.1 缺陷的类型缺陷的类型 1.点缺陷（零维缺陷）点缺陷（零维缺陷）缺陷尺寸处于原子大小的数量级上，即三维方向上缺陷缺陷尺寸处于原子大小的数量级上，即三维方向上缺陷的尺寸都很小。包括：的尺寸都很小。包括：空位空位（vacancy）间隙质点间隙质点（interstit
4、ial particle），），亦称为亦称为填隙质点填隙质点 杂质质点杂质质点（foreign particle）固溶体固溶体 点缺陷与材料的电学性质、光学性质、材料的高温动力点缺陷与材料的电学性质、光学性质、材料的高温动力学过程等有关。学过程等有关。第三章第三章 晶体结构缺陷晶体结构缺陷3.1 缺陷的类型缺陷的类型 晶体中的点缺陷晶体中的点缺陷(a)空位空位(b)杂质质点杂质质点(c)间隙质点间隙质点第三章第三章 晶体结构缺陷晶体结构缺陷3.1 缺陷的类型缺陷的类型 2.线缺陷（一维缺陷）线缺陷（一维缺陷）指在一维方向上偏离理想晶体周期性、规则性排列指在一维方向上偏离理想晶体周期性、规则性排
5、列所产生的缺陷所产生的缺陷，即缺陷尺寸在一维方向较长，另外二，即缺陷尺寸在一维方向较长，另外二维方向上很短。维方向上很短。如：各种如：各种位错（位错（dislocation）。线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性密切相线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性密切相关。关。第三章第三章 晶体结构缺陷晶体结构缺陷3.1 缺陷的类型缺陷的类型(a)刃位错（刃位错（edge dislocation）；）；(b)螺位错（螺位错（screw dislocation）(a)(b)第三章第三章 晶体结构缺陷晶体结构缺陷3.1 缺陷的类型缺陷的类型 3.面缺陷（面缺陷（二维缺陷）二维缺陷）指在二维方向上偏离理想晶体
6、周期性、规则性指在二维方向上偏离理想晶体周期性、规则性排列而产生的缺陷排列而产生的缺陷，即缺陷尺寸在二维方向上延，即缺陷尺寸在二维方向上延伸，在第三维方向上很小。伸，在第三维方向上很小。如：如：表面表面、晶界晶界、堆积层错堆积层错、镶嵌结构镶嵌结构等。等。面缺陷的取向及分布与材料的断裂韧性有关。面缺陷的取向及分布与材料的断裂韧性有关。第三章第三章 晶体结构缺陷晶体结构缺陷3.1 缺陷的类型缺陷的类型 面缺陷晶界面缺陷晶界（grain boundary）（a）倾斜晶界（）倾斜晶界（tilt boundary）；）；（b）扭转晶界（）扭转晶界（twist boundary）第三章第三章 晶体结构缺
7、陷晶体结构缺陷3.1 缺陷的类型缺陷的类型 面缺陷堆积层错面缺陷堆积层错面心立方晶体中的抽出型层错面心立方晶体中的抽出型层错(a)和插入型层错和插入型层错(b)第三章第三章 晶体结构缺陷晶体结构缺陷3.1 缺陷的类型缺陷的类型 面缺陷共格晶面面缺陷共格晶面面心立方晶体中面心立方晶体中111面反映孪晶面反映孪晶第三章第三章 晶体结构缺陷晶体结构缺陷3.1 缺陷的类型缺陷的类型 4.体缺陷（三维缺陷）体缺陷（三维缺陷）指在局部的三维空间偏离理想晶体的周期指在局部的三维空间偏离理想晶体的周期性、规则性排列而产生的缺陷性、规则性排列而产生的缺陷。如如第二相粒子团第二相粒子团、空位团空位团等。等。体缺陷
8、与物系的分相、偏聚等过程有关。体缺陷与物系的分相、偏聚等过程有关。第三章第三章 晶体结构缺陷晶体结构缺陷3.1 缺陷的类型缺陷的类型 二、按缺陷产生的原因分类二、按缺陷产生的原因分类 1.热缺陷（热缺陷（thermal defect）2.杂质缺陷（杂质缺陷（foreign defect）3.非化学计量缺陷非化学计量缺陷 （nonstoichiometric defect）4.电荷缺陷（电荷缺陷（electron defect）5.辐照缺陷（辐照缺陷（irradiation defect）第三章第三章 晶体结构缺陷晶体结构缺陷3.1 缺陷的类型缺陷的类型 1.热缺陷热缺陷 指由于指由于热起伏热起
9、伏所产生的空位或间隙质点（原子所产生的空位或间隙质点（原子或离子），亦称为或离子），亦称为本征缺陷本征缺陷。热起伏热起伏：指能量的不均衡，质点中总有一部分高能：指能量的不均衡，质点中总有一部分高能质点能够克服周围质点对它的束缚而跃迁；质点能够克服周围质点对它的束缚而跃迁；热缺陷的产生和复合始终处于一种热缺陷的产生和复合始终处于一种动态平衡动态平衡。第三章第三章 晶体结构缺陷晶体结构缺陷3.1 缺陷的类型缺陷的类型 （1）热缺陷类型）热缺陷类型 1）弗仑克尔缺陷）弗仑克尔缺陷（Frenkel defect）1926年由年由Frenkel发现发现并提出。并提出。形成机制形成机制：正常晶格质点跃入间
10、隙位，在原晶：正常晶格质点跃入间隙位，在原晶格结点则出现空位。见格结点则出现空位。见图（图（a）。特点特点：空位和间隙质点成对出现；：空位和间隙质点成对出现；晶体体积不发生改变。晶体体积不发生改变。第三章第三章 晶体结构缺陷晶体结构缺陷3.1 缺陷的类型缺陷的类型 热缺陷产生示意图热缺陷产生示意图（a）弗仑克尔缺陷的形成）弗仑克尔缺陷的形成（空位与间隙质点成对出现（空位与间隙质点成对出现）（b）单质中的肖特）单质中的肖特 基缺陷的形成基缺陷的形成第三章第三章 晶体结构缺陷晶体结构缺陷3.1 缺陷的类型缺陷的类型 2）肖特基缺陷）肖特基缺陷（Schottky defect）1934年由年由Sch
11、otteky发现发现并提出并提出。形成机制：形成机制：质点跃迁至表面形成新的结点，而质点跃迁至表面形成新的结点，而在晶体内部留下空位。见在晶体内部留下空位。见图图3-1-6（b）。特点特点：晶体中只有空位；：晶体中只有空位；正离子空位与负离子空位成对出现；正离子空位与负离子空位成对出现；晶体体积增大，晶格常数变化。晶体体积增大，晶格常数变化。第三章第三章 晶体结构缺陷晶体结构缺陷3.1 缺陷的类型缺陷的类型 （2）热缺陷浓度与温度的关系）热缺陷浓度与温度的关系 对于某种特定材料：对于某种特定材料：温度一定，热缺陷浓度一定；温度一定，热缺陷浓度一定；随随温度升高，热缺陷浓度呈指数增加。温度升高，
12、热缺陷浓度呈指数增加。第三章第三章 晶体结构缺陷晶体结构缺陷3.1 缺陷的类型缺陷的类型（3）缺陷形成和晶体结构的关系）缺陷形成和晶体结构的关系晶体结构中空隙较小，且正、负离子半径相差晶体结构中空隙较小，且正、负离子半径相差较小较小 肖氏缺陷肖氏缺陷 如，如，NaCl型：型：NaCl、MgO、CaO等。等。晶体结构中空隙较大，且正、负离子半径相差晶体结构中空隙较大，且正、负离子半径相差较大较大 弗氏缺陷弗氏缺陷 如，金属晶体中：简单立方、体心立方；如，金属晶体中：简单立方、体心立方；离子晶体中：离子晶体中：CaF2型结构。型结构。第三章第三章 晶体结构缺陷晶体结构缺陷3.1 缺陷的类型缺陷的类
13、型 2.杂质缺陷杂质缺陷（固溶体）（固溶体）是由外加杂质的引入所是由外加杂质的引入所产生的缺陷，亦称为产生的缺陷，亦称为组成缺陷组成缺陷或或非非本征缺陷本征缺陷。特征：特征：若杂质含量在固溶体溶解度范围内，则杂质缺陷浓若杂质含量在固溶体溶解度范围内，则杂质缺陷浓度与温度无关，只与杂质含量有关。度与温度无关，只与杂质含量有关。杂质缺陷对材料性能的影响：杂质缺陷对材料性能的影响：微量杂质缺陷会极大改变基微量杂质缺陷会极大改变基质晶体的物理性质，如：导电性、发光、颜色等，研究质晶体的物理性质，如：导电性、发光、颜色等，研究和利用这种缺陷的作用原理，对固溶体形成、材料改性、和利用这种缺陷的作用原理，对
14、固溶体形成、材料改性、制备性能优越的固体器件等具有十分重要的意义。制备性能优越的固体器件等具有十分重要的意义。第三章第三章 晶体结构缺陷晶体结构缺陷3.1 缺陷的类型缺陷的类型 3.非化学计量缺陷非化学计量缺陷（非化学计量化合物非化学计量化合物）指组成上偏离化学中的定比定律所形成的缺陷。指组成上偏离化学中的定比定律所形成的缺陷。实质：实质：由基质晶体与介质中某些组分发生交换而产由基质晶体与介质中某些组分发生交换而产生，如生，如TiO2-x、Fe1-xO、Zn1+xO等晶体中的缺陷。等晶体中的缺陷。特点特点:其化学组成和缺陷浓度随周围其化学组成和缺陷浓度随周围气氛性质气氛性质及及分分压大小压大小
15、而变化，是一种半导体材料。而变化，是一种半导体材料。第三章第三章 晶体结构缺陷晶体结构缺陷3.1 缺陷的类型缺陷的类型 指质点排列的周期性未破坏，但因电子指质点排列的周期性未破坏，但因电子或孔穴的产生，使周期性势场发生畸变而或孔穴的产生，使周期性势场发生畸变而产生的缺陷。产生的缺陷。由能带理论，非金属固体具有价带、禁由能带理论，非金属固体具有价带、禁带或导带。温度接近带或导带。温度接近0K时，其价带中电子时，其价带中电子全部排满，导带中全空。若价带中电子获全部排满，导带中全空。若价带中电子获得足够能量跃过禁带进入导带，则导带中得足够能量跃过禁带进入导带，则导带中的电子、价带中的孔穴使晶体势场畸
16、变而的电子、价带中的孔穴使晶体势场畸变而产生电荷缺陷。产生电荷缺陷。4.电荷缺陷电荷缺陷电荷缺陷电荷缺陷 第三章第三章 晶体结构缺陷晶体结构缺陷3.1 缺陷的类型缺陷的类型 5.辐照缺陷辐照缺陷 指材料在辐照之下所产生的结构不完整性指材料在辐照之下所产生的结构不完整性。辐照可以使材料内部产生各种缺陷，如辐照可以使材料内部产生各种缺陷，如色心色心（color center）、）、位错环位错环等。等。核能利用、空间技术以及固体激光器的发展核能利用、空间技术以及固体激光器的发展使材料的辐照效应引起人们的关注。使材料的辐照效应引起人们的关注。第三章第三章 晶体结构缺陷晶体结构缺陷3.1 缺陷的类型缺陷的类型 离子晶体的辐照缺陷类型：离子晶体的辐照缺陷类型：n电子缺陷电子缺陷使晶内杂质离子变价（如激光束照射使晶内杂质离子变价（如激光束照射铁掺杂铁掺杂LiNO3单晶使晶体中的单晶使晶体中的Fc2变至变至Fe3），使），使中心点缺陷变为各种色心；中心点缺陷变为各种色心；n空位空位、间隙原子间隙原子及由此组成的各种及由此组成的各种点缺陷群点缺陷群；n位错环位错环和和空洞空洞。
