晶体缺陷的概念

晶体缺陷的概念

晶体缺陷是指晶体中存在的一种结构性缺陷，它可以分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种类型。

点缺陷是指晶体中存在的一些点状的缺陷，比如说晶格中的原子缺失、杂质原子等。这些点缺陷会导致晶体的物理和化学性质发生变化。

线缺陷是指晶体中存在的一些线状的缺陷，比如说晶格中的排列错误、晶面错位等。这些线缺陷会影响晶体的弹性、导电性等性质。

面缺陷是指晶体中存在的一些面状的缺陷，比如说晶面的错位、晶面的扭曲等。这些面缺陷会影响晶体的力学、光学等性质。

晶体缺陷是晶体中不可避免的存在，它们与晶体的物理和化学性质密切相关，因此对晶体缺陷的研究对于认识晶体的性质、制备高质量晶体具有重要的意义。

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晶体学结构缺陷部分

引言 一晶体与晶格 晶体：由离子、原子或分子有规律地排列而成，即构成晶体的质点按一定规律排列着。质点在空间的分布具有周期性和对称性。 晶格：把晶体质点的中心，用直线联起来，构成一个空间格架，这种空间格架就是晶体格子，简称晶格。最小晶格单元称为晶胞。 1．1 缺陷的概念 晶体的特征：其中的原子或原子集团都是在有规律的排列（周期性），即不论沿晶体的哪个方向看去，总是相隔一定的距离就出现相同的原子或原子集团。 实际上，即使在0K，实际晶体中也不是所有的原子都严格地按照周期性排列的，因为晶体中存在着一些微小的区域，在这些区域中或穿过这些区域时，原子排列的周期性受到破坏，这样的区域便称为晶体缺陷。 1．2 晶体缺陷的种类 按照缺陷区相对于晶体的大小，可将晶体缺陷分为以下四类： （1）点缺陷—在任意方向上缺陷区的尺寸都远小于晶体或晶粒的线度的缺陷（0维缺陷）。例子：溶解于晶体中的杂质原子，晶体点阵结点上的原子进入点阵间隙时形成的空位和填隙原子等。 （2）线缺陷—在某一方向上缺陷区的尺寸可以与晶体或晶粒的线度相比拟的缺陷（一维缺陷）。例子：位错。 （3）面缺陷—在共面的各方向上缺陷区的尺寸可与晶体或晶粒的线度相比拟，而在穿过该面的任何方向上缺陷区的尺寸都远小于晶体或晶粒的线度的缺陷（二维缺陷）。例子：晶粒边界或层错面等。 （4）体缺陷—在任意方向上缺陷区的尺寸都可以与晶体或晶粒的线度相比拟的缺陷（三维缺陷）。例子：亚结构（镶嵌块）、沉淀相、空洞、气泡、层错四面体等。 1．3 缺陷的作用 缺陷浓度—缺陷总体积与晶体体积之比。 不论哪种缺陷，其浓度都是很低的，但是缺陷对晶体性质的影响却很大。 （1）力学性能

晶体中的缺陷与性质

晶体中的缺陷与性质 晶体是由原子、离子或分子有序排列形成的固体，晶体的缺陷是指晶体中的部 分或全部原子、离子或分子的有序排列存在错位、缺失或杂质等异常状态。晶体中的缺陷与性质密切相关，本文将就此展开阐述。 一、晶体缺陷分类 晶体的缺陷可以分为点、线和面缺陷，其中点缺陷包括点阴阳离子空位、氧空 位和间隙原子等；线缺陷包括错位、螺旋间隙和脆性断口等；面缺陷包括晶界、堆垛层错和晶面缺陷等。 二、晶体缺陷对性质的影响 1.点缺陷对性质的影响 一般来说，点缺陷在晶体中的浓度较高，因此其影响较为显著。点缺陷可以影 响晶体的形态、颜色和透明度，同时还能影响晶体的导电性、热性质和光学性质等。 以点阴阳离子空位为例，空位浓度较高时会导致导电性的改变，从而影响晶体 的热性质；而空位的存在也可导致铁氧体等材料的磁性发生变化，进而影响材料的磁学性质。 2.线缺陷对性质的影响 线缺陷的影响主要集中在材料的机械性质和热性质两方面。以错位为例，当晶 体中存在较多的错位时，会导致材料的韧性降低，从而影响其机械强度；而错位也可影响热传导，从而影响材料的热扩散性质。 3.面缺陷对性质的影响

面缺陷是晶体中最为丰富的缺陷类型，它们可以影响晶体的形态、结晶质量和 稳定性等多方面的性质。以晶界为例，晶界处的原子排列并不规则，容易导致原子的扩散和聚集，从而影响材料的物理化学性质。 三、晶体缺陷的形成原因 晶体缺陷的形成有多种原因，包括材料制备过程中的化学反应、熔融或液相晶 体生长等。在晶体生长过程中，如果晶体内部气体含量过高，就会导致原子排列异常，从而形成晶体缺陷。 此外，材料的加工过程也是晶体缺陷形成的重要原因之一。材料在加工过程中 受到的应力或温度变化等因素都会导致晶体的排列异常，从而形成不同类型的缺陷。 四、缺陷工程学 缺陷工程学是一门利用缺陷控制和设计方法来提高材料性质的学科。通过合理 的材料加工过程和晶体生长控制，可以有效地减少缺陷浓度，从而提高材料的性能。 在缺陷工程学中，常用的方法包括补偿掺杂、退火处理、材料再结晶等。这些 方法可以通过改变晶体中缺陷的类型、浓度和分布等，来实现对材料性质的精确控制。 五、总结 晶体中的缺陷与性质密切相关，缺陷类型的不同会导致材料性质的差异。了解 晶体中缺陷的形成原因和缺陷工程学方法，可以为材料设计和制备提供思路和方向。未来，通过对晶体缺陷的深入研究，可以进一步提高材料的性能和实现科技创新。

晶体缺陷

3.6 晶体缺陷 理想完美的晶体结构在实际晶体中并不存在，格点上的原子在一定的温度下总在其平衡位置附近振动，除此之外，实际晶体相对于理想的晶体周期结构的平衡位置还存在着偏离，如原子占位的错乱，这种偏离被称作晶体缺陷。晶体缺陷对晶体材料的物理、化学以及机械性能具有非常重要的影响。 晶体缺陷可以根据其特征进行分类，最常见的分类方法是把缺陷分成 (a) 点缺陷，包括空位、间隙原子、置换原子以及杂质原子和色心等; (b) 线缺陷，主要指各类位措; (c) 面缺陷，包括各种晶面、晶界、相界和畴界等; (d) 体缺陷，包括包裹物、夹杂及异相等。 以下就各类缺陷的结构特点进行详细叙述。 3.6.1点缺陷 点缺陷只涉及晶格中个别格点的缺陷，是固体中最简单的结构不完整性，在晶体中可以呈热力学平衡状态存在。1926年弗兰克尔（Frankel）为了解释离子晶体的导电现象而首先提出，其后也在阐明扩散机制等方面起了重要作用。本节将着重介绍点缺陷的种类、形成及研究方法等。 3.6.1.1空位 从晶体的周期结构点阵中的原子位置取走原子，则在周期点阵中就形成了一个空位缺陷，有时简称空位。如取走的原子移动到晶体表面所形成的空位叫肖脱基（Schottky）缺陷；当移动的原子进入晶格的间隙位置时，所留下的空位叫弗兰克尔（Frankel）缺陷，如图3.6-1所示。在离子型晶体中，为保持化学计量组成和电中性，常出现空位对（见图3.6-1）。晶体中的空位可能结合起来，形成空位对、三空位以及空位群。 图3.6-1 晶体中的空位，肖脱基缺陷、弗兰克尔缺陷以及空位对 晶体中出现空位后，将对晶体结构产生影响，如破坏晶体的周期点阵排列，使晶体体积增大

晶体缺陷

晶体缺陷 晶体缺陷 crystal defects 实际晶体中原子偏离理想的周期性排列的区域称作晶体缺陷。晶体缺陷在晶体中所占的总体积很小，也就是说，实际晶体中的绝大部分区域，原子排列于周期性位置上。因此，晶体缺陷是近完整晶体中的不完整性。但晶体缺陷对固体的许多结构敏感的物理量（如引起形变的临界切应力、扩散系数等）有极大的影响，晶体缺陷的研究对材料的强度、热处理等问题的研究有很重要的作用。 晶体缺陷分为：①点缺陷，包括空位、自填隙原子、代位原子、异类填隙原子等；②线缺陷，如位错；③面缺陷，如堆垛层错、孪晶界、反相畴界等，面缺陷还可以包括晶体表面、晶界和相界面（见界面）。 点缺陷图1是点缺陷的示意图,表示各种点缺陷的形式。热平衡状态下点缺陷浓度C 遵从统计物理规律 C＝exp(－u/kT) 这里k是玻耳兹曼常数;T是绝对温度;u是点缺陷形成能。常用金属铁、铜、铝等的室温平衡空位浓度很小，接近熔点时的空位浓度约为 10-4。自填隙原子形成能是空位形成能的3～4倍，其平衡浓度极小。代位原子和异类填隙原子的最大浓度由相图决定。表面空位和增原子的形成能和表面的取向关系很大,但都比体空位形成能小。在某些表面，它们的形成能只有体空位形成能的一半。因此它们的平衡浓度比体空位高得多（见晶体表面）。 界面的曲率半径ρ对平衡空位浓度Cv的影响由下式表示： 这里 C0是界面曲率为零(曲率半径ρ为无穷大)的空位浓度，σ是界面能，V是原子体积。 图2a表示曲率半径不同引起的表面空位的浓度差（曲率半径不同对界面附近体空位浓度的影响类似）。表面增原子浓度受到的影响和表面空位受到的影响相反(上式的括号内加一负号)。由此引起的表面空位流和增原子流会使波浪状表面变平（图2a）；使两个颗粒颈部变粗（图2b）。这是粉末冶金烧结过程的重要理论依据。 非平衡状态下点缺陷浓度可以大大超过平衡浓度。从熔点附近淬火后得到的过饱和空位浓度可以比平衡浓度大几个数量级。形变产生的空位浓度达10-4 ε(ε是应变量)。高能粒子照射后在损伤区引起大量空位-填隙原子对（Frankel 对）,常温下填隙原子被损伤区以外的缺陷吸收一部分，其余部分聚集成小位错环或和空位复合消失，遗留的空位浓度在损伤区可以达到10-3。 位错位错是晶体中某一几何面两侧发生相对位移的区域和其他未相对位移区域的边界线。如相对位移矢量是点阵矢量，则除了位错线附近外，原子仍按完

晶体缺陷

第二章晶体缺陷 固体在热力学上最稳定的状态是处于0K温度时的完整晶体状态，此时，其内部能量最低。晶体中的原子按理想的晶格点阵排列。实际的真实晶体中，在高于0K的任何温度下，都或多或少的存在着对理想晶体结构的偏离，即存在着结构缺陷。结构缺陷的存在及其运动规律，对固体的一系列性质和性能有着密切的关系，尤其是新型陶瓷性能的调节和应用功能的开发常常取决于对晶体缺陷类型和缺陷浓度的控制，因此掌握晶体缺陷的知识是掌握材料科学的基础。 晶体缺陷从形成的几何形态上可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。其中点缺陷按形成原因又可分为热缺陷、组成缺陷（固溶体）和非化学计量化合物缺陷，点缺陷对材料的动力性质具有重要影响。本章对点缺陷进行重点研究，对线缺陷的类型和基本运动规律进行简要的介绍，面缺陷的内容放在表面和界面一章中讲解。 第一节热缺陷 一.热缺陷定义 当晶体的温度高于绝对0K时，由于晶格内原子热振动，使一部分能量较大的原子离开平衡位置造成的缺陷。由于质点热运动产生的缺陷称为热缺陷。 二.热缺陷产生的原因 当温度高于绝对温度时，晶格中原子热振动，温度是原子平均动能的度量，部分原子的能量较高，大于周围质点的约束力时就可离开其平衡位置，形成缺陷。 三.热缺陷的基本类型 1.肖特基缺陷 如果表面正常格点上的原子，热起伏过程中获得能量离开平衡位

置但并未离开晶体，仅迁移到晶体表面外新表面的一个位置上，在原表面格点上留下空位。原子的迁移相当于空位的反向迁移，表面的空位移至晶体的内部。显然，在产生肖特基缺陷晶体会增大体积。 为了维持晶体的电中性，正、负离子空位同时按化学式关系成比例产生。 2.弗伦克尔缺陷 晶格热振动时，一些原子离开平衡位置后挤到晶格的间隙位置中形成间隙原子，而原来的结点形成空位。此过程中，间隙原子与空位成对产生，晶体体积不发生变化。 四 .缺陷化学 1.缺陷表示方法 在克劳格.明克符号系统中，用一个主要符号来表明缺陷的种类，用一个下标来表示缺陷的位置，缺陷的有效电荷在符号的上标表示，如“·”表示正电，“’”表示负电，“×”表示中性。 1）自由电子－e’； 2） 电子空穴－h .； 3）正常质点：单质M ，正常原子：⨯ M M 4）空位：单质M 中，V M ： 5）间隙质点：单质M ，M i 6) 杂质离子置换晶格中本身粒子：如Mg Al ； 7）缔合中心：当缺陷相邻时，缺陷会缔合。由于断键数量的减少，系统能量会降低，稳定性增加。 2.肖特基缺陷形成反应 （1）单质产生肖特基缺陷 缺陷反应式：M M M M V M +⇔或M V 0⇔

晶体缺陷

一、概述 1、晶体缺陷：晶体中原子（离子、分子）排列的不规则性及不完整性。种类：点缺陷、线缺陷、面缺陷。 1) 由上图可得随着缺陷数目的增加，金属的强度下降。原因是缺陷破坏了警惕的完整性，降低了原子间结合力，从宏观上看，即随缺陷数目增加，强度下降。 2) 随着缺陷数目的增加，金属的强度增加。原因是晶体缺陷相互作用（点缺陷钉扎位错、位错交割缠结等），使位错运动的阻力增加，强度增加。 3) 由此可见，强化金属的方向有两个：一是制备无缺陷的理想晶体，其强度最高，但实际上很难；另一种是制备缺陷数目多的晶体，例如：纳米晶体，非晶态晶体等。 二、点缺陷 3、点缺陷：缺陷尺寸在三维方向上都很小且与原子尺寸相当的缺陷（或者在结点上或邻近的微观区域内偏离晶体结构正常排列的一种缺陷），称为点缺陷或零维缺陷。分类：空位、间隙原子、杂质原子、溶质原子。 4、肖特基空位：原子迁移到晶体表面或内表面正常结点位置使晶体内形成的空位。 5、弗仑克尔空位：原子离开平衡位置挤入点阵间隙形成数目相等的空位和间隙原子，该空位叫做弗仑克尔空位。 6、空位形成能EV：在晶体中取出一个原子放在晶体表面上（不改变晶体表面积和表面能）所需的能量。间隙原子形成能远大于空位形成能，所以间隙原子浓度远小于空位浓度。 7、点缺陷为热平衡缺陷，淬火、冷变形加工、高能粒子辐照可得到过饱和点缺陷。 8、复合：间隙原子和空位相遇，间隙原子占据空位导致两者同时消失，此过程成为复合。 9、点缺陷对性能的影响：点缺陷使得金属的电阻增加，体积膨胀，密度减小；使离子晶体的导电性改善。过饱和点缺陷，如淬火空位、辐照缺陷，还可以提高金属的屈服强度。 三、线缺陷 10、线缺陷：线缺陷在两个方向上尺寸很小，另外一个方向上延伸较长，也称为一维缺陷。主要为各类位错。 11、位错：位错是晶体原子排列的一种特殊组态；位错是晶体的一部分沿一定晶面与晶向发生某种有规律的错排现象；位错是已滑移区和未滑移区的分界线；位错是伯氏矢量不为零的晶体缺陷。分类：刃位错、螺位错、混合型位错。 12、刃型位错特点：a) 刃型位错有一个多余半原子面。正刃型位错和负刃型位错只有相对意义，无本质区别。 b) 位错线不一定为直线，但滑移面必定是位错线和滑移矢量确定的平面，滑移面唯一。 c) 刃型位错周围点阵发生弹性畸变，既有切应变，又有正应变。能引起材料体积变化。 d) 刃型位错位错线垂直于柏氏矢量，垂直于滑移方向，垂直于滑移矢量。位错线移动方向平行于晶体滑移方向。 e) 刃型位错属于线缺陷，位错线可以理解为晶体中已滑移区与未滑移区的边界线。 f) 刃型位错位错线不能终止于晶体内部，只能露头晶体表面或晶界。 13、螺型位错特点： a) 螺型位错无额外半个原子面，原子错排是呈轴对称的。右螺型位错和左螺型位错有本质区别。 b) 螺型位错线一定是直线，但滑移面不唯一，凡是包含螺型位错线的（原子密排）平面都可以作为他的滑移面。 c) 螺型位错周围点阵发生弹性畸变，只有平行于位错线的切应变，没有正应变。不会引起材料体积变化。 d) 螺型位错位错线平行于柏氏矢量，平行于滑移方向，平行于滑移矢量，位错线的移动方向垂直于晶体滑移方向。 e) 刃型位错属于线缺陷，位错线可以理解为晶体中已滑移区与未滑移区的边界线。 f) 螺型位错位错线不能终止于晶体内部，只能露头晶体表面或晶界。 14、混合型位错：滑移矢量既不平行也不垂直于位错线，而与位错线相交成任意角度，这种位错称为混合位错。特点：a) 混合型位错位错线既不平行也不垂直于滑移矢量，每一段混合型位错均包含刃型位错分量和螺型位错分量（可以有纯刃型位错环，没有纯螺型位错环）。 b) 混合型位错是已滑移区和未滑移区的分界线。 c) 混合型位错位错线不能终止于晶体内部，只能露头晶体表面或晶界。 15、柏氏矢量的确定： 1) 首先选定位错线的正向，一般选择出纸面方向为正向。 2) 在实际晶体中，从任一原子出发，围绕位错（避开位错线附近的严重畸变区）以一定的步数作一右旋闭合回路MNOPQ(称为柏氏回路）。 3) 在完整晶体中按同样的方向和步数作相同的回路，该回路并不封闭，由终点Q向起点M引一矢量b，使该回路闭合，这个矢量b就是实际晶体中位错的柏氏矢量。 16、右手法则：右手的拇指、食指、中指构成直角

晶体缺陷

晶体缺陷总结 1.晶体缺陷的定义和分类 1.1 晶体缺陷的定义 原子绝对按照晶格的周期性排列的晶体是不存在的，实际晶体中或多或少都存在缺陷。 1.2 晶体缺陷的分类 1.2.1、按缺陷的几何形态分类可分为四类：点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷。 1.点缺陷（零维缺陷）：晶格中的填隙原子、空位、俘获电子的空穴、杂质原子等，称 为点缺陷。这些缺陷约占一个原子的尺寸，引起晶格周期性在一到几个原胞内发生紊乱。 包括：（1）福伦克尔缺陷 ：正常格点上的原子，无时无刻不在作围绕平衡点的振动。由于存在热运动的涨落，涨幅大的原子就会摆脱平衡位置而进入原子间隙位置。这种有一个正常原子同时产生一个间隙原子和一个空位的缺陷称为福伦克尔缺陷。 弗伦克尔缺陷的特点是空位和填隙原子同时出现，晶体体积不发生变化，晶 体不会因为出现空位而产生密度变化。 空位＋填隙原子： （2）肖特基缺陷： 某格点上的原子，由于热运动的涨落，某时刻他的涨幅会变得很大，会将最近邻的原子挤跑，而自己占据这一最近邻的格点，而被他挤跑的一个原子依次如此。晶体内这种不伴随填隙原子产生的空位，成为肖特基缺陷。 肖特基缺陷的特点是晶体表面增加了新的原子层，晶体内部只有空位缺陷，且晶体体积膨胀，密度下降。（空位+表面原子） （3）替位式杂质原子： 在晶体的生长、半导体材料及电子陶瓷材料制备中，常常有目的的加入一些杂质原子，让其形成替位式杂质。 （4） 色心： 能吸收光的点缺陷称为色心。（莫罗定律） 点缺陷对材料性能的一般影响： （1）原因：无论哪种点缺陷的存在，都会使其附近的原子稍微偏离原结点位置才能平衡，即造成小区域的晶格畸变。 （2）效果：改变材料的电阻。（电阻来源于离子对传导电子的散射。在完整晶体中，电子基本上是在均匀电场中运动，而在有缺陷的晶体中，在缺陷区点阵的周期性被破坏，电场急剧变化，因而对电子产生强烈散射，导致晶体的电阻率增大。）；加快原子的扩散迁移。形成其他晶体缺陷；由于形成点缺陷需向晶 体提供附加的能量，因而引起附加比热容；点缺陷还影响其它物理性质：如扩

晶体中的缺陷

第三章晶体中的缺陷 第一节概述 一、缺陷的概念 大多数固体是晶体，晶体正是以其特殊的构型被人们最早认识。因此目前(至少在80年代以前>人们理解的“固体物理”主要是指晶体。当然这也是因为客观上晶体的理论相对成熟。在晶体理论发展中，空间点阵的概念非常重要。 空间点阵中，用几何上规则的点来描述晶体中的原子排列，并连成格子，这些点被称为格点，格子被称为点阵，这就是空间点阵的基本思想，它是对晶体原子排列的抽象。空间点阵在晶体学理论的发展中起到了重要作用。可以说，它是晶体学理论的基础。现代的晶体理论基于晶体具有宏观平移对称性，并因此发展了空间点阵学说。 严格地说对称性是一种数学上的操作，它与“空间群”的概念相联系，对它的描述不属本课程内容。但是，从另一个角度来理解晶体的平移对称性对我们今后的课程是有益的。 所谓平移对称性就是指对一空间点阵，任选一个最小基本单元，在空间三维方向进行平移，这个单元能够无一遗漏的完全复制所有空间格点。考虑二维实例，如图3-1所示。 图3-1 平移对称性的示意图 在上面的例子中，以一个基元在二维方向上平移完全能复制所有的点，无一遗漏。这种情况，我们说具有平移对称性。这样的晶体称为“理想晶体”或“完

整晶体”。 图3-2 平移对称性的破坏 如果我们对上述的格点进行稍微局部破坏，那么情况如何?请注意以下的复制过程，如图3-2所示。从图中我们看出：因为局部地方格点的破坏导致平移操作无法完整地复制全部的二维点阵。这样的晶体，我们就称之为含缺陷的晶体，对称性破坏的局部区域称为晶体缺陷。 晶体缺陷的产生与晶体的生长条件，晶体中原子的热运动以及对晶体的加工工艺等有关。事实上，任何晶体即使在绝对零度都含有缺陷，自然界中理想晶体是不存在的。既然存在着对称性的缺陷，平移操作不能复制全部格点，那么空间点阵的概念似乎不能用到含有缺陷的晶体中，亦即晶体理论的基石不再牢固。 幸运的是，缺陷的存在只是晶体中局部的破坏。作为一种统计，一种近似，一种几何模型，我们仍然继承这种学说。因为缺陷存在的比例毕竟只是一个很小的量(这指的是通常的情况）。例如20℃时，Cu的空位浓度为3.8×10-17，充分退火后Fe 中的位错密度为1012m-2<空位、位错都是以后要介绍的缺陷形态）。现在你对这些数量级的概念可能难以接受，那没关系，你只须知道这样的事实：从占有原子百分数来说，晶体中的缺陷在数量上是微不足道的。 因此，整体上看，可以认为一般晶体是近乎完整的。因而对于实际晶体中存在的缺陷可以用确切的几何图形来描述，这一点非常重要。它是我们今后讨论缺陷形态的基本出发点。事实上，把晶体看成近乎完整的并不是一种凭空的假设，大量的实验事实

材料科学 晶体缺陷

§5 晶体缺陷 晶体中原子（或分子、离子）在三维空间中的周期性规则排列仅仅是一种理想情况，实际晶体中的情况则不尽然。由于晶体的生长条件、原子的热运动以及材料加工过程中各种因素的影响，使原子排列不可能那样规则和完善，往往存在着偏离理想结构的区域，从而形成晶体缺陷。研究表明，形成晶体缺陷的这些区域，其中的某些原子虽然失去了与周围原子之间的正常的相邻关系，但仍然受到原子键合力的约束，其排列并不是杂乱无章的。因此，晶体是以一定的形态存在，按一定的规律产生、发展和运动，并对晶体的物理和化学性能产生重要影响。 根据晶体中缺陷的几何特征，可分为： 点缺陷(0维)：空间尺寸很小，相当于原子数量级，如空位、间隙原子等； 线缺陷(一维)：在两个方向上小但在另一个方向上尺寸大，如各种位错； 面缺陷(二维)：在一个方向上小但在另两个方向上尺寸大，如晶界、相界等。 5.1 点缺陷 晶体缺陷的尺寸在三维方向上均处于原子数量级，为点缺陷。 点缺陷产生原因：原子热振动、高温淬火、冷加工、辐照等。 点缺陷类型结构：空位、间隙原子、置换原子 肖脱基(Schottky)空位：脱离平衡位置的原子移动到晶体表面； 弗兰克尔(Frankel)空位：脱离平衡位置的原子移动到晶体点阵的间隙中。

图2.13 点缺陷示意图 a) 空位；b) 间隙原子；c) 异质间隙原子； d) 异质置换原子（原子半径小）；e) 异质置换原子（原子半径大） 图2.14 空位聚集成为空位片 a) 孤立的空位；b) 聚集成片的空位片 图2.15 化合物离子晶体中两种常见的点缺陷 点缺陷形成能：由于空位或者间隙原子的存在而使点阵产生畸变，晶体内能升高，增加的能量称为点缺陷形成能。常见金属中，间隙原子形成能比空位形成能大几倍。 点缺陷平衡浓度：热力学分析表明，在绝对零度以上的任何温度，晶体中含

晶体中的缺陷

晶体中的缺陷及其对材料性能的影响 前言 晶体的主要特征是其中原子（或分子）的规则排列，但实际晶体中的原子排列会由于各种原因或多或少地偏离严格的周期性，于是就形成了晶体的缺陷，晶体中缺陷的种类很多，它影响着晶体的力学、热学、电学、光学等各方面的性质。晶体的缺陷表征对晶体 理想的周期结构的任何形式的偏离。 晶体缺陷的存在，破坏了完美晶体的有序性，引起晶体内能U和熵S增加。按缺陷在空间的几何构型可将缺陷分为点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷，它们分别取决于缺陷的延伸范围是零维、一维、二维还是三维来近似描述。每一类缺陷都会对晶体的性能产生很大影响，例如点缺陷会影响晶体的电学、光学和机械性能，线缺陷会严重影响晶体的强度、电性能等。 一、晶体缺陷的基本类型 点缺陷 1、点缺陷定义 由于晶体中出现填隙原子和杂质原子等等，它们引起晶格周期性的破坏发生在一个或几个晶格常数的限度范围内，这类缺陷统称为点缺陷。这些空位和填隙原子是由热起伏原因所产生的，因此又称为热缺陷。

2、空位、填隙原子和杂质 空位：晶体内部的空格点就是空位。由于晶体中原子热运动，某些原子振动剧烈而脱离格点跑到表面上，在内部留下了空格点，即空位。 填隙原子：由于晶体中原子的热运动，某些原子振动剧烈而脱离格点进入晶格中的间隙位置，形成了填隙原子。即位于理想晶体中间隙中的原子。 杂质原子：杂质原子是理想晶体中出现的异类原子。 3、几种点缺陷的类型 弗仑克尔缺陷：原子（或离子）在格点平衡位置附近振动，由于非线性的影响，使得当粒子能量大到某一程度时，原子就会脱离格点，而到达邻近的原子空隙中，当它失去多余动能后，就会被束缚在那里，这样产生一个暂时的空位和一个暂时的填隙原子，当又经过一段时间后，填隙原子会与空位相遇，并同空位复合；也有可能跳到较远的间隙中去。若晶体中的空位与填隙原子的数目相等，这样的热缺陷称为弗仑克尔缺陷。 肖特基缺陷：空位和填隙原子可以成对地产生(弗仑克尔缺陷），也可以在晶体内单独产生。若脱离格点的原子变成填隙原子，经过扩散跑到晶体表面占据正

晶体缺陷的三种形式

晶体缺陷的三种形式 晶体缺陷（crystal defects）是指晶体内部结构完整性受到破坏的所在位置。按其延展程度可分成点缺陷、线缺陷和面缺陷。 在理想完整的晶体中，原子按一定的次序严格地处在空间有规则的、周期性的格点上。但在实际的晶体中，由于晶体形成条件、原子的热运动及其它条件的影响，原子的排列不可能那样完整和规则，往往存在偏离了理想晶体结构的区域。这些与完整周期性点阵结构的偏离就是晶体中的缺陷，它破坏了晶体的对称性。 晶体结构中质点排列的某种不规则性或不完善性。又称晶格缺陷。表现为晶体结构中局部范围内，质点的排布偏离周期性重复的空间格子规律而出现错乱的现象。根据错乱排列的展布范围,分为下列3种主要类型。 ①点缺陷，只涉及到大约一个原子大小范围的晶格缺陷。它包括:晶格位置上缺失正常应有的质点而造成的空位;由于额外的质点充填晶格空隙而产生的填隙；由杂质成分的质点替代了晶格中固有成分质点的位置而引起的替位等（图1）。在类质同象混晶中替位是一种普遍存在的晶格缺陷。

图1 ②线缺陷—位错位错的概念1934年由泰勒提出到1950年才被实验所实具有位错的晶体结构，可看成是局部晶格沿一定的原子面发生晶格的滑移的产物。滑移不贯穿整个晶格，晶体缺陷到晶格内部即终止，在已滑移部分和未滑移部分晶格的分界处造成质点的错乱排列，即位错。这个分界外，即已滑移区和未滑移区的交线，称为位错线。位错有两种基本类型：位错线与滑移方向垂直，称刃位错，也称棱位错；位错线与滑移方向平行，则称螺旋位错。刃位错恰似在滑移面一侧的晶格中额外多了半个插入的原子面，后者在位错线处终止（图2）。螺旋位错在相对滑移的两部分晶格间产生一个台阶，但此台阶到位错线处即告终止，整个面网并未完全错断，致使原来相互平行的一组面网连成了恰似由单个面网所构成的螺旋面。

晶体缺陷和材料性能

晶体缺陷和材料性能 晶体缺陷是一种常见的材料学现象，它能够影响材料的力学、 电学、热学等性能。在材料科学中，深入了解晶体缺陷对材料性 能的影响是非常重要的。本文将介绍晶体缺陷的种类和其影响力学、电学、热学性能的机制。 一、晶体缺陷的种类 晶体缺陷通常可以分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种： 1.点缺陷：最简单的点缺陷是晶格中离子交换，如阴离子被阳 离子占据。空穴和插入的离子也属于点缺陷。空穴是空出一个或 多个原子位置的缺陷，它们造成晶体中电子和磁性的变化。插入 的离子是不同元素的原子，它们插入到晶体中取代其它原子位置。 2.线缺陷：线缺陷是晶格中的一条线，它与晶体中其它原子排 列方式不同。位错是最常见的线缺陷。每个位错都是从一个或多 个失配的原子重叠开始，其结果会改变晶体的物理特性。

3.面缺陷：面缺陷是晶体表面的缺陷，如晶界和小角度晶界。晶界是两个或多个晶体的边界，它们对材料的物理和化学性质有很大影响。小角度晶界也是晶界，它是两个晶体在晶界处缓慢旋转而形成的。由于晶界存在，会导致晶体的力学和电学性质发生改变。 二、晶体缺陷对材料性能的影响 晶体缺陷能够影响材料的力学、电学、热学等性能。下面将介绍晶体缺陷对各种性能的影响机制： 1.力学性能：晶体缺陷会影响材料的塑性、强度和韧性等机械性能。在弹性形变的情况下，位错和其他线缺陷产生的内应力可以改变晶体的力学性质。当材料受到应力时，点缺陷会导致晶体内部出现位移和形变。靠近晶体表面的缺陷，比如晶界和表面缺陷，可以作为裂纹的萌芽点，从而引起材料的断裂。 2.电学性能：电学性能是指材料的导电性、电阻率等性质。晶体缺陷可以对材料的电学性能产生显著影响。二硫化钼（MoS2）是一种典型的半导体，在晶体中的点缺陷和线缺陷会导致其导电

晶体结构缺陷

第5章晶体缺陷 在二十世纪初叶，人们为了探讨物质的变化和性质产生的原因，纷纷从微观角度来研究晶体内部结构，特别是X射线衍射的出现，揭示出晶体内部质点排列的规律性，认为内部质点在三维空间呈有序的无限周期重复性排列，即所谓空间点阵结构学说。 前面讲到的都是理想的晶体结构，实际上这种理想的晶体结构在真实的晶体中是不存在的，事实上，无论是自然界中存在的天然晶体，还是在实验室（或工厂中）培养的人工晶体或是陶瓷和其它硅酸盐制品中的晶相，都总是或多或少存在某些缺陷，因为：首先晶体在生长过程中，总是不可避免地受到外界环境中各种复杂因素不同程度影响，不可能按理想发育，即质点排列不严格服从空间格子规律，可能存在空位、间隙离子、位错、镶嵌结构等缺陷，外形可能不规则。另外，晶体形成后，还会受到外界各种因素作用如温度、溶解、挤压、扭曲等等。 晶体缺陷：各种偏离晶体结构中质点周期重复排列的因素，严格说，造成晶体点阵结构周期势场畸变的一切因素。 如晶体中进入了一些杂质。这些杂质也会占据一定的位置，这样破坏了原质点排列的周期性，在二十世纪中期，发现晶体中缺陷的存在，它严重影响晶体性质，有些是决定性的，如半导体导电性质，几乎完全是由外来杂质原子和缺陷存在决定的，许多离子晶体的颜色、发光等。另外，固体的强度，陶瓷、耐火材料的烧结和固相反应等等均与缺陷有关，晶体缺陷是近三、四年国内外科学研究十分注意的一个内容。 根据缺陷的作用范围把真实晶体缺陷分四类： 点缺陷：在三维尺寸均很小，只在某些位置发生，只影响邻近几个原子。 线缺陷：在二维尺寸小，在另一维尺寸大，可被电镜观察到。 面缺陷：在一维尺寸小，在另二维尺寸大，可被光学显微镜观察到。 体缺陷：在三维尺寸较大，如镶嵌块，沉淀相，空洞，气泡等。 一、点缺陷 按形成的原因不同分三类： 1 热缺陷（晶格位置缺陷） 在晶体点阵的正常格点位出现空位，不该有质点的位置出现了质点（间隙质点）。 2 组成缺陷 外来质点（杂质）取代正常质点位置或进入正常结点的间隙位置。 3 电荷缺陷 晶体中某些质点个别电子处于激发状态，有的离开原来质点，形成自由电子，在原来电子轨

第三章晶体缺陷

第三部分晶体缺陷 概述：晶体缺陷即实际晶体偏离理想晶体结构的情况；根据其几何特征可分为点缺陷、线缺陷、和面缺陷三类。了解晶体缺陷有利于分析和研究对结构敏感的性能的变化规律。相变、扩散、塑性变形、再结晶及氧化、烧结等现象对探索晶体材料中的奥秘和推动材料科学的发展起着重要的作用。 第一节点缺陷 点缺陷指在三维空间的各个方向尺寸都很小，约为一个或几个原子尺寸，包括空位、间隙原子、杂质或溶质原子。 1.点缺陷的形成 肖特基缺陷：离开平衡位置的原子迁移到晶体表面或内表面的正常结点位置而留下的空位； 弗仑克尔缺陷：离开平衡位置的原子挤入点阵的间隙位置，而在晶体中同时形成数目相等的空位和间隙原子。 空位的形成能（Ev）：在晶体内取出一个原子放在晶体表面上（但不改变晶体表面的表面积和表面能）所需要的能量。 热平衡点缺陷：由于热起伏促使原子脱离阵点位置而形成的缺陷。 过饱和点缺陷：晶体中点缺陷浓度超过点缺陷平衡浓度。 过饱和点缺陷获得的方式：☆ Ⅰ高温淬火Ⅱ冷变形加工（塑性变形）Ⅲ高能离子辐照

离子晶体中的缺陷： 电荷缺陷：由于电子转移而使晶体内电场发生变化，引起周围势场的畸变，造成晶体的不完整性。 Vch色心：电子空穴被束缚在正离子空位上形成的缺陷（呈正电性，用P表示）；Fch色心：自由电子被束缚在负离子空位上而形成的缺陷（呈负电性，可用N表示）。 点缺陷存在的原因：热起伏或能量起伏，因此说点缺陷是热力学上稳定的缺陷。☆ 2.点缺陷的平衡浓度☆ 点缺陷的平衡浓度的计算： ：点缺陷的形成能 点缺陷平衡浓度公式的导出： 由热力学原理可知：在恒温下，系统的自由能满足：F=U-TS S：总熵值，包括组态熵Sc和振动熵Sf 设由N个原子组成的晶体中含有n个空位，若形成一个空位所需的能量为Ev，则晶体中含有n个空位时，内能的增加为△U=nEv,组态熵变为△Sc，振动熵变为n△Sf,则自由能变为：

晶体的缺陷及应用

晶体的缺陷及应用 晶体是一种具有高度有序排列的原子、离子或分子结构的固体物质。然而，正因为晶体具有高度有序的结构，完美的晶体几乎是不存在的，其中包括各种类型的缺陷。晶体缺陷可以分为点缺陷、线缺陷和面缺陷。 点缺陷是位于晶体内部的离子或原子缺失、置换或插入引起的缺陷。其中最常见的是空位缺陷，即晶格点上原子缺失引起的缺陷。点缺陷还包括间隙原子或离子的插入、原子或离子的置换等。例如，镧系元素的差值离子可以占据晶体结构中的Ca2+位点，造成CaF2晶体的镧替位缺陷。点缺陷会改变晶体的电子能带结构、电导率和光学性质等。 线缺陷是由于晶体中断层、位错或螺旋方位关系引起的缺陷。位错是晶体中由于原子排列产生错位的区域。这种错位可以导致原子间的局部收缩或拉伸，从而导致线型缺陷。线缺陷如位错和断层会导致材料的机械性能变化，并且可以影响晶体的热导率和电导率。 面缺陷是晶体中两个晶粒的接界面，也称为晶界。晶界可以形成在晶体内部，例如双晶，也可以形成在晶体与其它材料接触的界面上，例如晶体与基底材料的界面。晶界是一种非常重要的缺陷，可以影响晶体的力学性能、热稳定性和电子性能。 晶体缺陷不仅仅是物质结构的一种缺陷，也为物质性质的调控和应用提供了机会。

例如，通过控制晶体内的缺陷浓度，可以调节材料的导电性能，使其具有特殊的电子传输性质，从而广泛应用于光电器件、太阳能电池、催化剂等领域。此外，晶体缺陷还可以用于增强材料的力学性能、增加材料的断裂韧性，并应用于制备高强度的金属、合金和陶瓷材料。 另外，晶体缺陷也是材料中的主要缺陷源，可以导致材料的损坏和失效。通过研究晶体缺陷的形成和演化过程，可以为材料的制备、加工和应用提供指导。例如，在材料的制备过程中，通过控制晶体生长条件和添加适量的杂质，可以减少晶体中的缺陷数量，并提高材料的性能和质量。 总之，晶体的缺陷是晶体结构不可避免的一部分，不仅可以影响晶体的物理和化学性质，还可以为材料的制备和应用提供机会。因此，进一步了解和研究晶体缺陷对于材料科学和工程的发展具有重要意义。

晶体缺陷对物质性质的影响研究

晶体缺陷对物质性质的影响研究 晶体缺陷是在晶体中存在的结构、性质和组分上的不完美，它们的存在对晶体的物质性质产生着深远的影响。晶体缺陷可以分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种类型。本文将以不同种类的晶体缺陷为线索，探讨晶体缺陷对物质性质的影响。 1. 点缺陷 点缺陷指的是晶体内部的原子位置被其他类型的原子取代或者缺失，例如空位缺陷、间隙原子缺陷、替代原子缺陷等。这些点缺陷对晶体的导电性、光学性质以及力学性能产生了重要影响。 首先是空位缺陷。当晶体中的原子位置上出现空位，将导致晶体的密度降低，热膨胀性增大，热导率降低等。此外，空位缺陷还会引起晶体的电导率增加，因为空位上的电子可以自由移动，形成了电子的导向通道。 其次是替代原子缺陷。当一种原子取代了晶体中的另一种原子，晶格结构会发生改变，从而引起晶体性质的变化。比如，掺杂少量的杂质原子进入硅晶体中，使其成为P型或N型半导体。 2. 线缺陷 线缺陷是指沿着晶体中某个方向发生了排列紊乱的错误，比如位错、螺旋融合等。线缺陷对晶体的力学性能具有重要影响，尤其是在晶体的拉伸、扭曲等应变条件下。 位错是最常见的线缺陷类型，它是晶体中原子排列的错误。位错能够作为晶体中断裂的起始点，降低晶体的力学强度。此外，位错对晶体中电子的传输也有显著影响，导致半导体器件性能的改变。 3. 面缺陷

面缺陷是晶体中平面上的缺陷，比如晶体表面的缺陷、晶体中的孪晶界、晶粒 边界等。面缺陷会导致晶体的力学强度降低、晶体形貌的变化以及晶界的界面能对晶体的性质产生影响。 晶界是晶体中相邻晶粒之间的界面，即晶粒的边缘。晶界对晶体的性质影响巨大，它会改变晶体的电导率、磁性、化学反应速率等。此外，晶界还对晶体的断裂、高温变形等力学性质起着重要作用。 总结起来，晶体缺陷对物质性质的影响是多样的。不同类型的缺陷会导致晶体 的导电性、光学性质、热学性质以及力学性能等发生变化。研究晶体缺陷对物质性质的影响不仅可以深化对晶体内部结构和性质的理解，还有助于开发新型材料和改进现有材料的性能。因此，进一步研究晶体缺陷对物质性质的影响具有重要的科学意义和应用价值。 然而，需要注意的是，本文仅从晶体缺陷对物质性质的影响进行简要探讨，实 际研究中还有许多复杂的缺陷与性质之间的关系有待深入研究。随着先进技术的不断发展，对晶体缺陷的理解和控制将被进一步提高，从而为材料科学和工程技术的发展提供更多可能性。