第九章晶体结构缺陷(至).pdf

第九章 晶 体 结 构 缺 陷 1. 晶体结构缺陷 晶体是内部质点在三维空间成周期性重复排列的固体 , 或者说晶体是具有格子 构造的固体。这样一系列在三维空间成周期性重复的几何点就构成了一套所谓的空间 点阵 , 其中的等同点则称为阵点或结点。对应于不同晶体的各个具体的空间点阵 , 其阵点或结点的具体重复方式将会有所不同 , 但在三维空间内呈周期性重复这一性 质上则是相同的。 实际晶体不同于理想的晶体 , 无论它有多大 , 终究还是有限的 , 只是由于晶 体内部质点的重复周期比晶体颗粒的尺寸小得多 , 因此从微观的范畴讲 , 可以把 晶体空间格子近似地看成是向三维空间元限延伸的。在一些研究中 , 可以把晶体看 成理想的具有平移周期的点阵加以研究。但在另一些研究中 , 则着重研究晶体缺 陷、调幅结构 , 及准周期、非周期结构等。 实际晶体是由一种或数种具有相同或极为相似晶胞结构和晶胞化学的空间格子堆 积而成。每一种晶胞可以分为几种相对独立的结构单位 , 结构单位连接规律也常有 不同变化。由于参加堆积的晶胞结构和晶胞化学的变化、它们的堆积方式的变化 , 以 及它们堆积过程的物理化学环境变化等 , 都使得物质界形成千姿百态的世界。因为 这些变化是不可避免的 , 所以晶体结构中的有规自相似准周期和无规自相似准周 期、非周期等复杂结构现象的发生、形成也同样是不可避免的。 平移准周期的准晶结构与平移周期的晶体结构既有明显的不同又有着密切的关 系 。可以认为 , 自然界中的一些矿物和人工合成的晶体及它们所具有的结构 , 是 某一物理化学条件下非周期、准周期与平移周期竞争的结果。 物质结构可以分为 : 具有平移周期的晶体结构 ; 具有数学上严格的有规自相 似性的准周期及统计学意义上的无规自相似性准周期的准晶体结构 ; 还有一些随机 性的非周期性结构及胶态物质、玻璃物质 。具有平移周期的晶体是大量存在的 , 从 理论和结构分析上都有成熟的模式 , 以往凡与此有矛盾的晶态物质都采取不予研究 的态度。如 X 射线晶体结构分析时预先要求的重要条件之一 , 就是晶体应尽可能接 近理想的周期结构。 透射电子显微镜 , 特别是高分辨分析透射电子显微镜在物质结 构研究方面取得的成果 , 不仅拓宽了晶体结构研究的范围 , 而且打破了准周期、非 周期物质结构研究的禁区 。 图 9.1 为单质硅的高分辨的透射电子显微像 , 它说明了晶体缺陷大量存在。 图 9.1 单质硅中的晶体缺陷 ( 引自JEOL NEWS,1985) 实际晶体中存在着使晶体许多性质、特点发生强烈改变的各种缺陷 ,主要有以下 几种 : (1) 由于晶体有一定大小而造成的表面缺陷。 (2) 当晶体含有杂质原子时就会形成点缺陷、零维缺陷。 (3) 在晶体结构的点阵某个位置上 , 缺少应有的质点 , 就会形成空位 、零维 缺陷。 (4) 在晶体结构中 , 沿着某一方向存在位置错动 , 就会造成线缺陷、一维缺 陷。 (5) 在晶体结构中 , 沿着二维方向存在位置的错动 , 这就会造成面缺陷、二维 缺陷。 (6) 由于热运动会造成体缺陷 。 三维缺陷包括第二相粒子、空位团等等。 (7) 由于在复杂的地质条件下 , 天然矿物晶体在生长过程中 , 其物理化学环 境受到多种因素的作用 , 实际矿物晶体很少没有缺陷的。 2. 点 缺 陷 晶体中的一些原子被外界原子所代替 , 或者留有原子空位等 , 这些变化破坏 了晶体规则的点阵周期性排列 , 并引起质点间势场的畸变 , 这样造成的晶体结构 不完整性仅仅局限在原子位置 , 所以称为点缺陷 。 2.1 晶格位置缺陷 晶格位置缺陷一般指空位和间隙原子所造成的点缺陷 。 当晶体的温度高于绝对零度时 , 原子吸收热能而发生运动 , 原子最终的运动 形式是围绕一个平衡位置的振动 , 显然 , 这个平衡位置和理想晶格的位置相当 。 温度愈高 , 平均热能越大 , 振动的幅度越大。其中 , 有些原子获得足够大的能量 , 可以脱离开它的平衡位置 , 这样在原来的位置上形成了一个空位 , 因此 , 晶体中 总有一些原子要离开它的平衡位置 , 造成缺陷。 空位缺