晶体结构缺陷PPT课件.ppt
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1、晶体结构缺陷 Structure Defects of Crystal,本章学习要点,1、缺陷的分类及热缺陷浓度计算公式 2、缺陷的符号 3、缺陷的方程式及缺陷的化学式 4、固溶体的分类及置换型固溶体影响因素5、刃位错的理论,晶体结构缺陷:实际的真实晶体中,在高于oK的任何温度下,都或多或少地存在着对理想晶体结构的偏离,即结构缺陷。结构缺陷的存在及运动规律,对固体材料的电学性质、机械强度、扩散、烧结、化学反应、非化学计量化合物的组成及材料的物理化学性质都密切相关。掌握晶体缺陷的基本知识是本课的重点内容之一。 晶体结构缺陷包括:点缺陷、线缺陷、面缺陷和复合缺陷。点缺陷在无机材料中是最基本的缺陷,
2、是无机材料科学研究的重点,也是本课的教学重点。,一般按照晶体缺陷在空间延伸的线度来进行分类: (l)点缺陷:原子尺度的缺陷,包括空位、填隙原子、溶质原子、色心等。 (2)线缺陷:为晶体中的一维缺陷,又叫位错。 (3)面缺陷:两维较大,一维为原子尺度。包括孪晶界面和位错界面等。 (4)体缺陷,三维均较大,如包裹物、空洞、沉淀相、裂纹等。,体缺陷-祖母绿中的两相“逗号状”包裹体,白榴石中的包裹体,面缺陷(小角晶界),图 面缺陷共格晶面 面心立方晶体中111面反映孪晶,线缺陷 (a) 刃位错 (b)螺位错,(a),(b),晶体中的点缺陷,(a)空位,(b)杂质质点,(c)间隙质点,一、点缺陷(poi
3、nt defect) (一)、点缺陷的类型 1、根据其对理想晶格偏离的几何位置及成分来划分,可分为三种类型:空 位 填 隙 原 子 杂 质 原 子,(1)空 位:正常结点位置没有被质点占据,称为空位。 (2)填 隙 原 子:质点进入间隙位置成为填隙原子。 (3)杂子原子:杂子原子进入晶格占据节点位置或占据晶体的间隙位置。,2、根据产生缺陷的原因,也可以把点缺陷分为下列三种类型: 热缺陷、杂质缺陷和非化学计量结构缺陷)热缺陷 当晶体的温度高于绝对0 K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缺陷,这种缺陷称为热缺陷。,(a)弗仑克尔缺陷的形成(空位与间隙质点成对出现),(
4、1)弗伦克尔(Frenker)缺陷: 定义:在晶格热振动时,一些能量足够大的原子离开平衡位置后,挤到晶格节点的间隙中,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。 特点:间隙原子与空位点是成对产生,晶体体积不发生变化。,(b)单质中的肖特基缺陷的形成,2)肖特基(Schttky)缺陷 : 定义:正常晶格节点上的原子,由热起伏获得能量,离开平衡位置,迁移到晶体的表面,在晶体内正常节点上留下空位。这种缺陷称为肖特基缺陷。 特点:正离子空位和负离子空位是同时成对产生的。同时伴随晶体体积的增加。,2)、杂质缺陷; 定义:由于外来原子进入晶体而产生的缺陷。 类型:杂质原子又可分为间隙杂
5、质原子及置换杂质原子两种。 前者是杂质原子进入固有原子点 阵的间隙中;后者是杂质原子替代了固有原子。,3)、非化学计量缺陷 定义:指组成上偏离化学中的定比定律所形成的缺陷。它是由基质晶体本身存在变价元素产生的一种电子缺陷,如Fe1xO、Zn1+xO等晶体中的缺陷。 特点:其化学组成随周围气氛的性质及其分压大小而变化。 4)、 其它原因,如辐照缺陷等,3+,TiO2,5)、缺陷的作用 点缺陷使晶体结构局部畸变,缺陷产生局部应力场,破坏晶格的完整性。杂质缺陷使晶体结构局部畸变。空位使也会使晶格产生畸变。,3、缺陷表示方法 )、缺陷化学 从理论上,缺陷的生成及复合存在着动态的平衡,定量地把材料中的点
6、缺陷看作化学实物,并用化学热力学的原理来研究缺陷的产生、平衡及其浓度等问题的一门学科称为缺陷化学。,如“ . ”表示有效正电荷; “ ” 表示有效负电荷; “”表示有效零电荷。,2)Kroger-Vink(克罗格明克)的点缺陷符号 用一个主要符号表明缺陷的种类 用一个下标表示缺陷位置 用一个上标表示缺陷的有效电荷,以MX离子晶体为例( M2 ;X2) 空位: 用VM和Vx分别表示M原子空位和X原子空位,V表示缺陷种类为空位,下标M、X表示原子空位所在的位置。 必须注意,这种不带电的空位是表示原子空位。,VM表示M原子空位。这种空位是不带电的空位,把离子化合物看作完全由离子构成,则在MX晶体中,
7、如果取走一个M2+ 晶格中多了两个e, 因此阳离子空位VM 必然和这两个e/相联系,形成带电的空位V”M,带电的空位 阳离子空位带有两个负电荷,如果取出一个X2 ,即相当于取走一个X原子加一个2e,那么X空位上就留下带两个电子的空穴(h. )即vx,M阳离子填隙表示为Mi,填隙:Mi和Xi分别表示M及X原子处在间隙位置上。,X阴离子填隙表示为Xi“,X离子错放在M位置上,XM,错放位置:Mx表示M原子被错放在X位置上,M离子错放在X位置上,MX,自由电子及电子空穴: 在有些情况下,有的电子并不一定属于某一个特定位置的原子,在某种光、电、热的作用下,可以在晶体中运动,这些电子用符号e表示。同样也
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