/OND 第四章固体材料的晶体缺陷感 4.1引言 4.2点缺陷( point defect) 4.3线缺陷( line defect) 4.4位错特性及测定法( dislocation characteristic) 4.5面缺陷( face defect) 4.6体缺陷( body defect) 2020年9月 复旦大学材料科学系
2020年9月 复旦大学材料科学系 2 4.1 引言 4.2 点缺陷（point defect） 4.3 线缺陷（line defect） 4.4 位错特性及测定法（dislocation characteristic） 4.5 面缺陷（face defect） 4.6 体缺陷（body defect） 第四章 固体材料的晶体缺陷
/OND 4.1引言 ●一般而言,晶体并不是理想的无缺陷材料,总有一 些局部不规则或不完整区域,比如有空洞、杂质、位 错等一些晶体缺陷( crystalline imperfection) 缺陷对晶体性能的影响比较大,如晶体的生长、扩 散、相变、强度、变形、断裂等。当然,如果缺陷数 量控制在允许范围内,则对材料性能会产生有益的影 响,比如,金属的延展性、半导体的电子传输能力等。 比如,纯铁的抗拉强度仅15MPa,但添加一定数 量的碳原子后变成合金钢,抗拉强度得到了明显提升, 可以增大到几百个MPa 同样,在100万个硅原子中仅掺杂2个P原子,硅 基半导体的电导率就增加了近500万倍
2020年9月 复旦大学材料科学系 3 ● 一般而言，晶体并不是理想的无缺陷材料，总有一 些局部不规则或不完整区域，比如有空洞、杂质、位 错等一些晶体缺陷 (crystalline imperfection)。 ● 缺陷对晶体性能的影响比较大，如晶体的生长、扩 散、相变、强度、变形、断裂等。当然，如果缺陷数 量控制在允许范围内，则对材料性能会产生有益的影 响，比如，金属的延展性、半导体的电子传输能力等。 比如，纯铁的抗拉强度仅15MPa，但添加一定数 量的碳原子后变成合金钢，抗拉强度得到了明显提升， 可以增大到几百个MPa。 同样，在100万个硅原子中仅掺杂2个P原子，硅 基半导体的电导率就增加了近500万倍。 4.1 引言 3
/OND ●若要改善材料的某些性能,如强度、电导率等, 有时需人为制造一些有益的“缺陷”。通过合金化、 掺杂、扩散、表面处理等工艺,设计和控制一定数量 的“缺陷”,从而提高材料的性能。 但是,如果晶体中缺陷数量过多,则对材料的性 能将产生不利的影响。比如,如材料中存在一些超标 的空洞、微裂纹等缺陷,强度和韧度将急剧下降,甚 至低应力下发生脆性断裂。 ●按照晶体缺陷的几何形状,一般可以分成五类: 电子缺陷、点缺陷、线缺陷(位错)、面缺陷、体缺陷, 如图4-1所示
复旦大学材料科学系 4 ● 若要改善材料的某些性能，如强度、电导率等， 有时需人为制造一些有益的“缺陷”。通过合金化、 掺杂、扩散、表面处理等工艺，设计和控制一定数量 的“缺陷”，从而提高材料的性能。 但是，如果晶体中缺陷数量过多，则对材料的性 能将产生不利的影响。比如，如材料中存在一些超标 的空洞、微裂纹等缺陷，强度和韧度将急剧下降，甚 至低应力下发生脆性断裂。 ● 按照晶体缺陷的几何形状，一般可以分成五类： 电子缺陷、点缺陷、线缺陷(位错)、面缺陷、体缺陷, 如图4-1所示。 2020年9月
/OND 导带电子 电子缺陷 价态空穴 错位缺陷 点缺陷 本征缺陷 空位缺陷 (零维缺陷) 间隙缺陷 杂质缺陷 取代缺陷 晶体 线缺陷 位错 缺陷 (一维缺陷) 位错处杂质原子 L小角度晶粒晶界」 面缺陷 孪晶界面 (二维缺陷) 堆垛层错 包藏杂质 体缺陷 (三维缺陷) 沉淀 空洞 图4-1晶体缺陷的分类
晶体 缺陷 电子缺陷 导带电子 价态空穴 点缺陷 （零维缺陷） 本征缺陷 杂质缺陷 错位缺陷 空位缺陷 间隙缺陷 取代缺陷 位错 位错处杂质原子 线缺陷 （一维缺陷） 小角度晶粒晶界 面缺陷 孪晶界面 （二维缺陷） 堆垛层错 包藏杂质 沉淀 体缺陷 （三维缺陷） 空洞 图4-1 晶体缺陷的分类
/OND 42点缺陷( point defect 点缺陷是指在三维尺度上不大于几个原子尺度的 些微缺陷。 ●早在1926年,弗兰克尔( Frenkel就指出,“在 任一温度下,实际晶体的原子排列不是完整的点阵 晶体中一些区域的原子规则排列遭到破坏而失去正 常的相邻关系。”也就是说,一定温度下点缺陷是 材料固有的一种缺陷。 ●晶体中点缺陷一般是一个原子尺度的大小。按照 点缺陷类型,主要有三种:空位、间隙原子和异类 原子(置换原子)
复旦大学材料科学系 6 ● 点缺陷是指在三维尺度上不大于几个原子尺度的 一些微缺陷。 ● 早在1926年，弗兰克尔(Frenkel) 就指出， “在 任一温度下，实际晶体的原子排列不是完整的点阵， 晶体中一些区域的原子规则排列遭到破坏而失去正 常的相邻关系。 ” 也就是说，一定温度下点缺陷是 材料固有的一种缺陷。 ● 晶体中点缺陷一般是一个原子尺度的大小。按照 点缺陷类型，主要有三种：空位、间隙原子和异类 原子（置换原子）。 4.2 点缺陷（point defect） 2020年9月
/OND 1.空位( vacancy) 空间点阵的晶格中没有原子的结点叫空位。如果 仅形成空位而没有等量的间隙原子,这种缺陷叫肖脱 基缺陷( Schottky disorder),见图4-2a。 ●对于离子晶体,因离子平衡的电中性要求,在形 成空位的同时,形成一种等量的间隙原子,这种缺陷 称为弗兰克尔缺陷,如图4-2b所示。 空位和间隙原子均是由原子的热振动引起的
复旦大学材料科学系 7 ● 空间点阵的晶格中没有原子的结点叫空位。如果 仅形成空位而没有等量的间隙原子，这种缺陷叫肖脱 基缺陷 (Schottky disorder)，见图4-2a。 ● 对于离子晶体，因离子平衡的电中性要求，在形 成空位的同时，形成一种等量的间隙原子，这种缺陷 称为弗兰克尔缺陷, 如图4-2b所示。 ● 空位和间隙原子均是由原子的热振动引起的。 1．空位（vacancy） 2020年9月
rr○rr ●● ○OO 88 0○○ ○○ 9○Q 99 ○○Q d) 图4-2点缺陷的类型
复旦大学材料科学系 8 图 4 -2 点缺陷的类型 2020 年 9 月
/OND 晶体中的原子是在平衡位置不停地运动,如果某 瞬间获得较大的动能且超过其激活能,则将脱离平衡 位置逸出,在原位置留下了空缺。如果周围有空位, 原子跳入该空位,空位在晶体内部扩散移动。温度升 高,原子获得的动能越大,空位浓度增加 点缺陷主要是由热振动引起的。图4-3给出了 定温度下自由能与点缺陷数量的相互关系。从能量值 最小可以看出,点缺陷是热力学平衡缺陷。 在熔体的凝固过程中,高温、塑性变形、辐照加 工等在晶体中都会产生空位缺陷,而适量的空位对材 料加工是有益的。如果没有一定数量的空位,材料难 于加工成型,也难于改性
复旦大学材料科学系 9 晶体中的原子是在平衡位置不停地运动，如果某 瞬间获得较大的动能且超过其激活能，则将脱离平衡 位置逸出，在原位置留下了空缺。如果周围有空位， 原子跳入该空位，空位在晶体内部扩散移动。温度升 高，原子获得的动能越大，空位浓度增加。 点缺陷主要是由热振动引起的。图4-3给出了一 定温度下自由能与点缺陷数量的相互关系。从能量值 最小可以看出，点缺陷是热力学平衡缺陷。 在熔体的凝固过程中，高温、塑性变形、辐照加 工等在晶体中都会产生空位缺陷，而适量的空位对材 料加工是有益的。如果没有一定数量的空位，材料难 于加工成型，也难于改性。 2020年9月
△F=△U-T△S △S 图4-3自由能随点缺陷数量的变化关系 10
复旦大学材料科学系 10 图4-3 自由能随点缺陷数量的变化关系 2020年9月
/OND 2.间隙原子( interstitial atom) 位于空间点阵晶格间隙处的原子叫间隙原子,如 图4-2c所示。它是原子热运动引起的。 间隙原子是非金属原子占多数。它们的原子半径 小于1A°,比如H(0.46A°)、O(0.61A°)、N (0.71A),C(0.77A)、B(0.97A9)等。这些小 原子易进入晶体的四面体间隙或八面体间隙位置,形成 间隙缺陷。 面心立方晶体的晶胞致密度是74%,空隙有26%。 因此,在金属和半导体中,一些掺杂元素进入到晶体的 间隙位置,改善了材料的力学、物理等性能。 当然,间隙原子和置换原子使晶体晶格的邻近原子 偏离平衡位置,产生畸变现象,如图42c、d、e所示。m
复旦大学材料科学系 11 位于空间点阵晶格间隙处的原子叫间隙原子，如 图4-2c所示。它是原子热运动引起的。 间隙原子是非金属原子占多数。它们的原子半径 小 于 1Ao , 比 如 H （ 0.46Ao ） 、 O （ 0.61Ao ） 、 N （0.71Ao）, C（0.77Ao）、B（0.97Ao）等。这些小 原子易进入晶体的四面体间隙或八面体间隙位置，形成 间隙缺陷。 面心立方晶体的晶胞致密度是74％, 空隙有26％。 因此，在金属和半导体中，一些掺杂元素进入到晶体的 间隙位置，改善了材料的力学、物理等性能。 当然，间隙原子和置换原子使晶体晶格的邻近原子 偏离平衡位置，产生畸变现象，如图4-2c、d、e所示。 2. 间隙原子（interstitial atom） 2020年9月