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。

图2

③面缺陷，是沿着晶格内或晶粒间的某个面两侧大约几个原子间距范围内出现的晶格缺陷。主要包括堆垛层错以及晶体内和晶体间的各种界面，如小角晶界、畴界壁、双晶界面及晶粒间界等。其中的堆垛层错是指沿晶格内某一平面，质点发生错误堆垛的现象。如一系列平行的原子面,原来按ABCABCABC……的顺序成周期性重复地逐层堆垛，如果在某一层上违反了原来的顺序，如表现为ABCABCAB│ABCABC……,则在划线处就出现一个堆垛层错，该处的平面称为层错面。堆垛层错也可看成晶格沿层错面发生了相对滑移的结果。小角晶界是晶粒内两部分晶格间不严格平行，以微小角度的偏差相互拼接而形成的界面。它可以看成是由一系列位错平行排列而导致的结果。在具有所谓镶嵌构造的晶格中，各镶嵌块之间的界面就是一些小角晶界。也有人把晶体中的包裹体等归为晶体缺陷而再分出一类体缺陷。

④体缺陷：体缺陷主要是沉淀相、晶粒内的气孔和第二相夹杂物等。

晶体缺陷的名词解释

晶体缺陷的名词解释 晶体缺陷是指晶体结构中存在的不规则性或者失序性，它们可以是由于晶体生长过程中的某些不完美导致的，也可以是在晶体使用过程中形成的。晶体缺陷对材料的物理性质和化学性质有着重要影响，因此，对晶体缺陷的理解与研究具有重要意义。 一、点缺陷 点缺陷是一种在晶体中以原子或原子团为单位存在的不规则性。点缺陷可以分为两类，即缺陷原子和间隙原子。缺陷原子是指晶体中一个位置上原子的缺失或替代，而间隙原子是指晶体中非正常晶格位置上的原子存在。点缺陷的存在对晶体的导电性、热传导性以及光学性质等方面都会产生显著影响。 二、面缺陷 面缺陷是指在晶体中存在的二维或三维结构缺陷。面缺陷可以分为孪生界面、晶界和堆垛层错三类。孪生界面是晶体内部两个完全互相倒转或者镜像对称的晶体颗粒之间的界面。晶界是指晶体内部两个晶体颗粒之间的原子排列或晶格编织方式发生转变的区域。堆垛层错是因为在晶体生长过程中，晶体颗粒之间因堆垛方式的差异而产生的错位。面缺陷在晶体的力学性能、疲劳机制以及晶体生长等方面具有重要影响。 三、体缺陷 体缺陷是指晶体内部原子排列或晶格结构出现不规则性或失序性的缺陷。体缺陷包括空位、间隙和失序。空位是指晶体内原子因缺失而导致的晶体结构不完整。间隙是指晶体中非正常晶格位置上的原子存在。失序则是指晶体中原子的无序或错位状态。体缺陷对晶体的机械性能、热膨胀性质以及磁性等方面产生显著影响。四、缺陷治理

缺陷治理是指通过不同的方法和手段对晶体中的缺陷进行修复或改善的过程。常见的缺陷治理方法包括热退火、添加合金元素和辅助材料等。热退火是通过加热晶体使缺陷移动并重新排列，从而达到改善晶体结构的目的。添加合金元素和辅助材料则是通过引入其他原子或化合物来改善晶体的物理性质和化学性质。 总结起来，晶体缺陷是晶体结构中存在的不规则性或失序性。它们可以是点缺陷、面缺陷或体缺陷。这些缺陷对晶体材料的性能产生重要影响，因此，研究和理解晶体缺陷的形成和治理具有重要意义。通过不同的缺陷治理方法，可以改善晶体的结构和性能，为材料科学和工程提供更广阔的应用前景。

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

晶体缺陷及运动.

晶体中缺陷和运动 晶体缺陷（crystal defect） 1定义： 实际晶体中原子规则排列遭到破坏而偏离理想结构的区域。在理想完整晶体中，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。 2类型 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,分为以下4种主要类型。 2.1点缺陷——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 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。

2.1.1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，因此又称为热陷。 2.1.2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。 2.1.3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

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。

第一章 晶体结构缺陷习题及解答

第一章 晶体结构缺陷习题与解答 1.1 名词解释（a ）弗伦克尔缺陷与肖特基缺陷；（b ）刃型位错和螺型位错 解：（a ）当晶体热振动时，一些能量足够大的原子离开平衡位置而挤到晶格点的 间隙中，形成间隙原子，而原来位置上形成空位，这种缺陷称为弗伦克尔缺陷。如果正常格点上原子，热起伏后获得能量离开平衡位置，跃迁到晶体的表面，在原正常格点上留下空位，这种缺陷称为肖特基缺陷。（b ）滑移方向与位错线垂直的位错称为刃型位错。位错线与滑移方向相互平行的位错称为螺型位错。 1.2试述晶体结构中点缺陷的类型。以通用的表示法写出晶体中各种点缺陷的表示符号。试举例写出CaCl 2中Ca 2+置换KCl 中K +或进入到KCl 间隙中去的两种点缺陷反应表示式。 解：晶体结构中的点缺陷类型共分：间隙原子、空位和杂质原子等三种。在MX 晶体中，间隙原子的表示符号为M I 或X I ；空位缺陷的表示符号为：V M 或V X 。如果进入MX 晶体的杂质原子是A ，则其表示符号可写成：A M 或A X （取代式）以及A i （间隙式）。 当CaCl 2中Ca 2+置换KCl 中K +而出现点缺陷，其缺陷反应式如下： CaCl 2?→?KCl ?K Ca +' k V +2Cl Cl CaCl 2中Ca 2+进入到KCl 间隙中而形成点缺陷的反应式为： CaCl 2?→?KCl ??i Ca +2'k V +2Cl Cl 1.3在缺陷反应方程式中，所谓位置平衡、电中性、质量平衡是指什么？ 解：位置平衡是指在化合物M a X b 中，M 格点数与X 格点数保持正确的比例 关系，即M ：X=a ：b 。电中性是指在方程式两边应具有相同的有效电荷。质量平衡是指方程式两边应保持物质质量的守恒。 1.4（a ）在MgO 晶体中，肖特基缺陷的生成能为6ev ，计算在25℃和1600℃时热缺陷的浓度。 （b ）如果MgO 晶体中，含有百万分之一mol 的Al 2O 3杂质，则在1600℃时，MgO 晶体中是热缺陷占优势还是杂质缺陷占优势？说明原因。 解：（a ）根据热缺陷浓度公式： =N n exp （－ kT 2G ?） 由题意 △G=6ev=6×1.602×10-19=9.612×10-19J K=1.38×10-23 J/K T 1=25+273=298K T 2=1600+273=1873K 298K ： =N n exp ??? ? ??????---2981038.1210612.92319=1.92×10-51

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

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

晶体中的缺陷与扩散

晶体缺陷 按缺陷的几何形态和涉及的范围-分为：点缺陷，线缺陷，面缺陷 点缺陷：是指在一个或几个原子的微观区域内偏离理想周期结构的缺陷 1.空位--肖脱基缺陷 ﹜热缺陷（因热涨落） 2.填隙原子—与空穴这一对称弗仑克尔缺陷 3.杂质原子（替位杂质和间隙杂质） 4.色心：能吸收光的点缺陷 线缺陷—位错--晶体的一部分相对于另一部分发生滑移（是决定金属力学性质的基本因素）1.刃位错：晶体中以滑移区和未滑移区的边界线（位错线）若垂直于滑移方向，则会存在一多余半排原子面，它像一把刀刃插入晶体中，使此处上下两部分晶体产生原子排错，这种晶体缺陷称为刃型位错 特点：1.刃位错是在滑移面上局部滑移区的边界；2.位错的方向与滑移方向垂直 2.螺位错：晶体中以滑移区和未滑移区的边界（位错线）若平行于滑移方向，则在该处附近原子平面以扭曲为螺旋面，即位错线附近的原子是按螺旋形式排列的，这种晶体缺陷称为螺型位错。【和晶体生长有关】 特点：1.也可以看成是局部滑移区的边界；2.位错和滑移的方向是相互平行的 面缺陷 晶粒间界：晶粒之间的交接地区（面） 堆垛层错：整个晶面发生位错的缺陷 扩散：晶体中的原子借助无规则热振动在晶体中的传输过程 研究扩散的基本实验方法：利用放射性示踪原子 微观：扩散实际上是原子的布朗运动，扩散系数直接反应布朗运动的强弱 微观机制： 1.空位机制：扩散原子通过与其周围的空位交换位置进行扩散 主要适用：原子的自扩散以及替位式杂质或缺位式杂质的异扩散 2.间隙原子机制：扩散原子以从一个间隙位置跳到另一个间隙位置的方式进行扩散 主要适用：填隙式杂质的异扩散 离子导电性：在理想的离子晶体中，没有自由电子，离子又难以在晶体内移动，所以是典型的绝缘体。但实际离子晶体中，由于缺陷和杂质的存在，离子可以借助于缺陷在外场作用下，发生定向漂移，使晶体具有一定的导向性，离子成为载流子，这种现象称为离子导电性。

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

晶体结构缺陷二

晶体结构缺陷 一、理想晶体perfect crystal: 晶体中的原子在三维空间呈周期性的规则排列。 实际晶体： 由于生长条件、原子热运动及材料加工过程中各种因素的影响，原子排列存在着偏离理想结构的区域。 晶体缺陷： 将晶体中原子偏离其平衡位置而出现不完成性的区域称为晶体的结构缺陷。 二、晶体缺陷的类型（Classification of defects） 1.点缺陷--零维缺陷(Point defects or zero-dimensional defects) 任何方向尺寸都远小于晶体线度的缺陷区。 空位（vacancy）(a)无原子的阵点位置(b)双空位 间隙原子(Self-interstitial)(c)挤入点阵间隙的原子 晶体中的原子时刻处于热振动中，由于热振动的无规则性，原子在某一瞬间可能获得较大的动能或较大的振幅而摆脱周围原子的约束而跳离平衡位置。 如果此原子是表面上的原子，它会脱离固体而蒸发掉，接着次表面的原子会

迁移到上述表面原子的空余位置，于是就在晶体内部形成一个晶格“空位”。 如果此原子是晶体内部的原子，它就会从平衡原子进入附近的点阵间隙中于是就在晶体中同时形成一个空位和一个间隙原子。 注意： ①位置关系强调形成缺陷时，基质晶体中正负离子格点数之比保持不变，并非原子个数比保持不变。 ②形成缺陷时，基质晶体中的原子数会发生变化，外加杂质进入基质晶体时，系统原子数增加，晶体尺寸增大；基质中原子逃逸到周围介质中时，晶体尺寸减小。 金属材料 空位数Nv与温度有关，温度升高，空位数增加。与空位形成能有关。 Nv——平衡态空位数量 N——原子位置的总数 △Qv—每增加一个空位的能量变化(形成能) T——热力学温度 k --玻耳兹曼常数;1.38×10-23J/K 在金属晶体中，挤进间隙的自间隙原子将对周围阵点引起较大的变形，原子明显大于间隙的空间，间隙出现的可能性小，浓度低，空位更常见，所有金属晶体都有空位。 Calculate the equilibrium number of vacancies per cubic meter for copper at 1000 °C.The energy for vacancy formation

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：

晶体缺陷知识点

晶体缺陷知识点 晶体缺陷是固体材料中晶格出现的非理想性质，通常由于外界因素 或内部原子位置错配引起。晶体缺陷可以对材料的性质和行为产生显 著影响，因此对晶体缺陷的认识和理解对于材料科学和工程领域至关 重要。本文将主要介绍晶体缺陷的类别、产生原因以及对材料性能的 影响等相关知识点。 一、点缺陷 点缺陷是晶体中最常见的缺陷之一，它包括空位、附加原子和原子 间隙等。空位是晶体中原子缺失的位置，它可能由于热振动、离子辐 照或经历一系列化学反应等因素而形成。附加原子是晶体中多余的原子，它可以是来自杂质或外界加入的额外原子。原子间隙是晶体中原 子之间的间隙空间，它的存在会导致晶体结构的变形和变化。 二、线缺陷 线缺陷是晶体中延伸成线状的缺陷，包括位错和螺旋排列。位错是 晶体中原子错位或排列不当导致的线性缺陷，它可以通过晶体的滑移 和或扩散过程产生。螺旋排列是沿晶体某个轴线方向发生的原子错位，在某些晶体材料中常见。 三、面缺陷 面缺陷是晶体中存在的平面或界面缺陷，包括晶界、层错和孪晶等。晶界是晶体中两个晶粒的交界面，它由于晶体生长或晶体结构不匹配 引起。层错是晶体中原子层次错位排列的缺陷，通常发生在层状晶体

结构中。孪晶是晶体中两个晶粒具有相同的晶格方向但是镜像对称的 缺陷。 四、体缺陷 体缺陷是晶体中三维空间内存在的缺陷，主要包括孔洞和包裹物。 孔洞是晶体中的空隙空间，可以影响晶体的密度和物理性质。包裹物 是晶体中包裹其他原子或分子的空间，它可以是点状、线状或面状。 晶体缺陷的产生原因多种多样，包括热力学因素、机械应力和外部 影响等。温度和压力的变化可以导致晶体中原子位置发生偏移或畸变，进而产生缺陷。机械应力也可以引起晶体的位错和断裂等缺陷。此外，电磁辐射、化学环境和放射性衰变等因素也会影响晶体的结构和缺陷 形成。 晶体缺陷对材料的性能和行为产生重要影响。例如，点缺陷的存在 可以改变材料的电导率、热导率和光学性能。线缺陷和面缺陷可以导 致晶体的强度和塑性发生变化，并影响晶体的断裂行为。体缺陷可能 导致晶体的密度和孔隙度发生变化，进而影响其力学性能和热学性质。 综上所述，晶体缺陷是固体材料中不可避免的非理想性质，其产生 原因复杂多样。了解晶体缺陷的类别、形成原因以及对材料性能的影响，对于材料科学和工程具有重要意义。在实际材料设计和制备过程中，我们可以通过调控晶体缺陷来改变材料的性能，实现材料的优化 和应用。

晶体中的缺陷

第五章晶体中的缺陷 第五章要求 1掌握晶体缺陷的基本类型; 2能用热缺陷统计理论计算晶体中热缺陷的数目; 3熟悉缺陷扩散的两种微观机制,清楚为什么杂质的扩散系数大于晶体的自扩散系数; 4了解离子晶体点缺陷的特点以及导电机理. 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。 第一节晶体缺陷的基本类型 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、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，

晶体结构与晶体缺陷

晶体结构与晶体缺陷 晶体是物质的一种固态形态，具有有序的排列结构。其内部的 原子、离子或分子按照一定的规律排列，形成晶体的结构。晶体 结构对于物质的性质和应用具有重要影响。然而，即使在完美的 晶体中，也难免存在一些缺陷。本文将以晶体结构与晶体缺陷为 主题，介绍晶体的基本结构和常见的晶体缺陷，探讨它们对于晶 体性质的影响。 一、晶体结构 晶体结构是晶体内部原子、离子或分子的有序排列方式。根据 晶体结构的不同，可以分为几种常见的晶体类型，包括立方晶系、四方晶系、六方晶系、正交晶系、单斜晶系和三斜晶系等。每种 晶体类型都有其特定的晶体结构特征和晶胞参数。 晶体结构的基本单位是晶胞，晶胞是由若干个晶体格点组成的 最小重复单元。晶格点是表示晶体结构的点，晶格点的排列规则 形成了晶体的结构。晶体结构中有各种键的存在，包括离子键、 共价键、金属键等，这些键的类型和强度直接影响晶体的性质。

二、晶体缺陷 即使是在完美的晶体中，也不可避免地存在着各种缺陷。晶体 缺陷可以分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种类型。 1. 点缺陷 点缺陷是晶体中原子、离子或分子的位置发生了偏离，形成了 缺陷点。常见的点缺陷包括晶格缺陷和间隙缺陷。 晶格缺陷是晶体中原子、离子或分子替换或缺失造成的缺陷。 替代缺陷发生在晶体中的一个位置被其他原子替换，导致原子数 量和类型的改变。缺失缺陷指的是晶体中的某个位置没有被原子、离子或分子占据。 间隙缺陷是晶体中晶格位置周围存在空隙或异位原子、离子或 分子的缺陷。空位缺陷是指晶格位置周围存在未被占据的空位， 而异位缺陷则是指晶体中的某个位置被不同类型的原子、离子或 分子占据。

第二章晶体缺陷

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，“状示中性。 1）白由电子-e‘; 2）电子空穴一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 AI； 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. 肯特基缺陷形成反应 （1）单质产生肖特基缺陷 缺陷反应式：M M U M M *V M或。仁V M