第四章晶体缺陷 按照点阵结构理论,晶体的主要特征是其结构基元作周期性的排列,但实际晶体中 的原子或离子总是或多或少地偏离了严格的晶体周期性,因而出现了各种各样的结构缺 陷,并对晶体的各种物理性质产生的重要影响。根据晶体缺陷在空间延伸的线度晶体缺 陷可分为点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷。本章主要讲述晶体缺陷的典型形式以及对 晶体性质的主要影响。 §4.1点缺陷 点缺陷,是指那些对晶体结构的干扰仅在几个原子间距范围内的晶体缺陷,空位和 间隙原子就是点缺陷的典型例子,它们是晶体中最小的、也是最基本的缺陷形式。空位 就是在晶格中原本应该有原子的位置上缺少了原子,间隙原子则是在原本不应该有原子 的点阵间隙位置上出现的原子,也被称为填隙原子。后面我们会看到,在热作用下完整 晶体中会自发地出现空位和间隙原子,这是一种本体性的结构缺陷,称为本征结构缺陷。 与此相对的,晶体中还有另一类点缺陷,称为杂质原子,按照其出现的位置可以分为替 位杂质和填隙杂质,由于它们改变了晶体的化学成分,因而也被称为化学点缺陷 点缺陷影响着晶体的许多物理性质,特别与晶体中物质输运过程有关的一些性质受 点缺陷的影响最大。此外,点缺陷还通过对导电电子的散射影响了金属的电导率,通过 对声子的散射影响了晶体的导热性;在半导体晶体中杂质原子作为施主或受主显著地影 响着半导体的电学性质:在离子晶体中,由于在带隙中造成缺陷能级而影响其光学性质, 而离子晶体的离子导电现象则更是直接来源于点缺陷的运动。 41.1热缺陷的形成与平衡浓度 晶体中原子或离子由于热振动的能量起伏可能离开理想的晶格位置,从而产生空位 或间隙原子,这样形成的点缺陷称为热缺陷。显然,热缺陷是本征结构缺陷 晶格中的空位和间隙原子可以籍由不同的机制产生。在晶格内部的原子可以因为热 涨落由格点跳进间隙位置,从而同时产生一个空位和一个间隙原子。由这种方式产生的 空位和间隙原子对被称为弗伦克尔缺陷,如图4.1(a)所示。邻近表面的原子也可以由于 热涨落跳到晶体的表面,从而在晶体内留下一个空位。这种机制是由肖脱基首先提出的 所以空位有时也被称为肖脱基缺陷,如图4.1(b所示。显然,上面两种过程也可以反向 进行,使得晶格中的空位和间隙原子消失。另外,晶体表面的原子也可以由于热涨落跳 入晶格间隙,形成间隙原子,但从效果上讲,这种过程也可以看作是一个弗伦克尔缺陷 和一个反向的肖脱基缺陷的组合过程,所以可以将弗伦克尔缺陷和肖脱基缺陷视为两种第四章 晶体缺陷 按照点阵结构理论，晶体的主要特征是其结构基元作周期性的排列，但实际晶体中 的原子或离子总是或多或少地偏离了严格的晶体周期性，因而出现了各种各样的结构缺 陷，并对晶体的各种物理性质产生的重要影响。根据晶体缺陷在空间延伸的线度晶体缺 陷可分为点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷。本章主要讲述晶体缺陷的典型形式以及对 晶体性质的主要影响。 §4.1 点缺陷 点缺陷，是指那些对晶体结构的干扰仅在几个原子间距范围内的晶体缺陷，空位和 间隙原子就是点缺陷的典型例子，它们是晶体中最小的、也是最基本的缺陷形式。空位 就是在晶格中原本应该有原子的位置上缺少了原子，间隙原子则是在原本不应该有原子 的点阵间隙位置上出现的原子，也被称为填隙原子。后面我们会看到，在热作用下完整 晶体中会自发地出现空位和间隙原子，这是一种本体性的结构缺陷，称为本征结构缺陷。 与此相对的，晶体中还有另一类点缺陷，称为杂质原子，按照其出现的位置可以分为替 位杂质和填隙杂质，由于它们改变了晶体的化学成分，因而也被称为化学点缺陷。 点缺陷影响着晶体的许多物理性质，特别与晶体中物质输运过程有关的一些性质受 点缺陷的影响最大。此外，点缺陷还通过对导电电子的散射影响了金属的电导率，通过 对声子的散射影响了晶体的导热性；在半导体晶体中杂质原子作为施主或受主显著地影 响着半导体的电学性质；在离子晶体中，由于在带隙中造成缺陷能级而影响其光学性质， 而离子晶体的离子导电现象则更是直接来源于点缺陷的运动。 4.1.1 热缺陷的形成与平衡浓度 晶体中原子或离子由于热振动的能量起伏可能离开理想的晶格位置，从而产生空位 或间隙原子，这样形成的点缺陷称为热缺陷。显然，热缺陷是本征结构缺陷。 晶格中的空位和间隙原子可以籍由不同的机制产生。在晶格内部的原子可以因为热 涨落由格点跳进间隙位置，从而同时产生一个空位和一个间隙原子。由这种方式产生的 空位和间隙原子对被称为弗伦克尔缺陷，如图 4.1(a)所示。邻近表面的原子也可以由于 热涨落跳到晶体的表面，从而在晶体内留下一个空位。这种机制是由肖脱基首先提出的， 所以空位有时也被称为肖脱基缺陷，如图 4.1(b)所示。显然，上面两种过程也可以反向 进行，使得晶格中的空位和间隙原子消失。另外，晶体表面的原子也可以由于热涨落跳 入晶格间隙，形成间隙原子，但从效果上讲，这种过程也可以看作是一个弗伦克尔缺陷 和一个反向的肖脱基缺陷的组合过程，所以可以将弗伦克尔缺陷和肖脱基缺陷视为两种 1