《先进陶瓷材料与进展》第三章陶瓷晶体缺陷.ppt

第三章 陶瓷的晶体缺陷 一.决定陶瓷性能的结构因素 陶瓷的构成因素(组成) 超微结构 (原子离子级别) 原子的种类，原子的金属性和非金属性，化学结合的方式，结晶结构 微结构 (晶粒、晶界级别) 多晶体 晶粒直径 气孔量(晶界、晶粒内) 晶界(分凝、析出相) 缺陷(裂纹、位错) 表面状态(伤痕等) 晶格的各向异性和取向 机械性质 电学性质 热学性质 化学性质 硬度、强度、比重、弹性率、断裂韧性 电阻、热释电性、介电常数、压电性、电光效应、离子导电性、绝缘破坏强度 熔点、比热、热导率、热膨胀系数 耐酸、碱、电化学腐蚀，与金属的亲合性 陶 瓷 的 性 质 LTCC基板优点 缺陷的分类： 瞬时 缺陷 电子 缺陷 点缺陷 线缺陷 面缺陷 体缺陷 声子 电子 空穴 晶格空位 格点间填隙原子 置换原子 位错 晶体表面 晶界 相界 层错 空洞 缺陷簇 夹杂物 点缺陷的标记法：Kroger-Vink Notation: 缺陷种类 M X V 晶格空位 非金属元素符号 金属元素符号 缺陷有效电荷 · 正电荷 ，负电荷 ×电中性 缺陷位置 M X I 格点间填隙位置 非金属元素符号 金属元素符号 缺陷种类与有效电荷 缺陷种类 有效电荷 高价离子置换 + 低价离子置换 - 金属离子空位 - 非金属离子空位 + 金属离子填隙 + 非金属离子填隙 - 二.晶体缺陷的研究： 1)结晶学观点出发，研究缺陷存在的形态 2)热力学立场出发，研究缺陷生成的理论依据 准化学平衡法 原理——将缺陷生成看作是一种化学反应 缺陷反应方程式的规则： (1)质量关系——原子数平衡，方程两边各种原子(或离子)的个数必须相等 (2)位置关系——格点数成正确比例，每增加a个M格点，须增加b个X格点 (3)电荷关系——电荷平衡，方程两边的总有效电荷必须相同(晶体的电中性) 缺陷反应方程式应用示例: ①具有Frankel缺陷的化学计量化合物M+2X-2： ②具有反Frankel缺陷的化学计量化合物M+2X-2： ③具有Schottky缺陷的化学计量化合物M+2X-2： (无缺陷) 缺陷反应方程式应用示例 ④具有反Schottky缺陷的化学计量化合物M+2X-2： ⑤正离子缺位的非化学计量化合物M1-yX(Ni1-yO, Cu2-yO, Mn1-yO等) 如果缺陷反应充分，则有 正离子缺位 一价电离 正离子缺位 二价电离 为多子，p型半导体 ⑥非化学计量比化合物MX1-y(负离子缺位)，如TiO2-y,WO2-y等。 若缺陷反应充分，则有： 如BaTiO3在还原性气氛条件下烧结： e?为多子，n型半导体 ⑦正离子填隙非化学计量化合物M1+yX 充分反应 如：Zn1+yO在一定条件下以 Zni˙ 缺陷为主时，呈n型半导体 ⑧负离子填隙非化学计量化合物MX1+y 充分反应 如VO1+y，UO2+y在一定条件下，氧过量缺陷为主，呈p型半导体 ⑨电子与空穴复合 三．用质量作用定律表述缺陷浓度 质量作用定律——在一定温度下，化学反应达到平衡时，正反两方面参加反应的组元浓度乘积之比保持为常数: 如：aA+bB?cC+dD 平衡常数 将质量作用定律应用于缺陷反应式时，用[ ]表示某种缺陷的浓度，用n、p分别表示电子、空穴的浓度，气体的分压表示该气体的浓度。 如： 或 应用示例： 1)掺杂对电导的影响： 通常NiO为具有Ni缺位的非化学计量氧化物，p型半导体 在NiO中掺杂微量的Li+, Na+，K+等一价金属离子 可见，掺Li+后，空穴浓度p要增大，NiO的电导率上升。 若在NiO中掺杂微量Fe3+，Cr3+等三价金属离子。 可见，掺入Fe3+后，电子浓度补偿了空穴浓度， 使NiO电导率下降。 0 h e ? + ￠ · 2)气氛对电导的影响：由上例 根据电中性条件： 因而