无机材料科学第章晶体结构缺陷.ppt

第三章晶体结构缺陷一 一、晶体结构缺陷概述 1、概述 固体在热力学上最稳定的状态是处于0 K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0 K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，即存在着结构缺陷。 第三章晶体结构缺陷一 第三章晶体结构缺陷二 二、点缺陷 1．点缺陷的类型 在点缺陷中，根据其对理想晶格偏离的几何位置及成分来划分，可以分为三种类型： (1)填隙原子：原子进入晶体中正常结点之间的间隙位置，成为填隙原子或称间隙原子。 (2)空位：正常结点没有被原子或离子所占据，成为空结点，称为空位。 (3)杂质原子：外来原子进入晶格就成为晶体中的杂质。这种杂质原子可以取代原来晶格中的原子而进入正常结点的位置，这称为取代原子；也可以进入本来就没有原子的间隙位置，生成间隙式杂质原子。杂质进入晶体可以看作是一个溶解的过程，杂质为溶质，原晶体为溶剂，这种溶解了杂质原子的晶体称为固体溶液(简称固溶体)。 第三章晶体结构缺陷三 三、固溶体： 1、定义： 液体有纯溶剂和含有溶质的溶液之分。固体中也有纯晶体和含有杂质原子的固体溶液之分，我们把含有外来杂质原子的晶体称为固体溶液，简称固溶体。凡在固态条件下，一种组份(溶剂)内‘溶解”了其它组分(溶质)而形成的单一、均匀的晶态固体称为固溶体。如果固溶体是由A物质溶解在B物质中形成的，一般将原组分B或含量较高的组分称为溶剂(或称主晶相、基质)。把掺杂原子或杂质称为溶质。在固溶体中不同组分的结构基元之间是以原子尺度相互混合的，这种混合并不破坏原有晶体的结构。 第三章晶体结构缺陷七 七、面缺陷 第三章晶体结构缺陷五 3．阴离子间隙型：具有这种缺陷的结构如图所示。目前只发现UO2+x。有这种缺陷产生。它以可看作是U3O8在UO2中的固溶体。为了保持电中性，结构中引入电子空穴，相应的正离子升价。 第三章晶体结构缺陷五 4．阳离子空位型：下 图是这种缺陷的示意图。如Cu2-xO和Fe1-xO属于这种类型。为了保持电中性，在正离子空位周围捕获电子空穴。 第三章晶体结构缺陷五 第三章晶体结构缺陷五 六、线缺陷（位错） 1、位错的定义：实际晶体在结晶时受到杂质、温度变化或振动产生的应力作用。或由于晶体受到打击、切削、研磨等机械应力的作用，使晶体内部质点排列变形。原子行列间相互滑移，而不再符合理想晶格的有秩序的排列，形成线状的缺陷，称位错。晶体中某处一列或若干列原子有规律的错排。 2、位错的意义：对材料的力学行为如塑性变形、强度、断裂等起着决定性的作用，对材料的扩散、相变过程有较大影响。 第三章晶体结构缺陷六 3、位错的类型： （1）刃型位错 edge dislocation ： 模型：滑移面/半原子面/位错线 （位错线┻晶体滑移方向，位错线┻位错运动方向，晶体滑移方向//位错运动方向。） 分类：正刃型位错（┻）；负刃型位错（┳） 。 特点：具有柏格斯矢量b，它的方向表示滑移方向，。其大小一般是一个原子间距。柏格斯失量b与位错线垂直的位错称为刃型位错用符号⊥表示。垂线指向额外平面。 在位错线的周围引起晶格的弹性畸变。在刃位错之上，晶格受压缩，在它之下，晶格受伸张，这说明在位错线四周存在一个弹性应力场。 第三章晶体结构缺陷六 第三章晶体结构缺陷六 刃位错 位错线⊥柏氏矢量(b) 位错。 第三章晶体结构缺陷六 刃型位错的形成：空位塌陷； 局部滑移。 （2）螺型位错 screw dislocation 模型：滑移面/位错线。（位错线//晶体滑移方向，位错线┻位错运动方向，晶体滑移方向┻位错运动方向。） 分类：左螺型位错；右螺型位错。 特点：位错线和滑移方向(柏格斯矢量b)相互平行如图所示，由于和位错线AD垂直的平行面，不是水平的，而是象螺旋形的，故称螺旋位错，用符号⊙表示。在滑移面上质点的排列如图所示，实园点和空园圈代替同一质点在滑移面的左右侧。 在实际晶体中，很可能是同时产生刃位错和螺位错。 第三章晶体结构缺陷六 第三章晶体结构缺陷六 (c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning 第三章晶体结构缺陷六 肖特基缺陷平衡常数是 式中△Gf为肖特基缺陷形成自由焓。K为常数，k为波尔兹曼常数，也可用R—气体常数表示。 第三章晶体结构缺陷二 第三章晶体结构缺陷二 5 点缺陷与材料行为 （1）结构变化：晶格畸变（如空位引起晶格收缩，间隙原子引起晶格膨胀，置换原子可引起收缩或膨胀。） （2）性能变化：物理性能（如电阻率增大，密度减