面缺陷
第7章 面缺陷和体缺陷-3
晶界含两组受力 状态相反的位错， 使晶界不能迁动。
MLgb=k c
式中c5.2， k=310-6m4/J· s。
3
fcc中的[001]及[111]为倾转轴的对称倾转晶界位错分布示意图
b n n b
[001]倾转轴晶界中b与晶界 面夹角=45+/2
[111]倾转轴晶界中b与晶界 面的夹角=/2，b与界面 几乎垂直
杂质的影响
非常少的杂质含量就可以使迁移速度降低几个数 量级。 对同一种溶剂， 不同杂质引起的 2 个区域过渡的临 界浓度不同；在 低速区域对迁移 速度降低的量也 不同。 纯Al中铜Cu和镁Mg杂质 对长大速率的影响
10
5
2016/3/16
不同纯度的铝中的 100 倾转晶界的倾 转角对晶界迁移速 度及激活能的影响。
对于典型的晶粒长大，长大的驱动力很小， D G=DpVaDpb3, Dp是驱动压力， Va 是原子体积 ( 近 似等于 b3)。如果Dpb3kT，把exp(DG/kT)按级数 展开，忽略高次项得： ΔG Δpb A A b exp( ) kT kT
3 m j A
AjAAb2exp(DGm/kT) ≈Db。 Db 为晶界扩散系数，上式简化为:
exp(
ΔG ) kT
m
v为原子振动频率
5
从晶粒1到2以及从晶粒2到1的原子流量分别为: 1 2 2 1
J
1 2
A A n exp(
j A
ΔG ) J kT
m
2 1
A A n exp(
j A
ΔG ΔG ) kT
m
• n 是单位面积晶界上可能跳跃分离的位置数 。 • Aj是晶界结构因子，nAj代表能够跳跃分离的原子数； • AA是适应因子，描述能够成功被另一侧晶粒接受的 位置数。 故从晶粒1到晶粒2的净原子流量J为：
晶格的缺陷
晶格的缺陷晶格的缺陷是指晶体结构中存在的各种不完美或异常的位置或排列。
这些缺陷对晶体的物理、化学性质以及材料的性能都会产生重要影响。
本文将从点缺陷、线缺陷和面缺陷三个方面，介绍晶格缺陷的种类、产生原因以及对材料性能的影响。
一、点缺陷1. 点缺陷是指晶体中原子或离子的位置发生变化或缺失。
常见的点缺陷有原子间隙、空位、间隙原子、杂质原子等。
2. 原子间隙是指晶体中存在的原子无法占据的空间，通常是由于晶格结构的不完美而形成。
原子间隙的存在会导致晶体的密度降低，同时对电子和热的传导产生影响。
3. 空位是指晶体中原子位置上缺失了一个原子。
空位会导致晶格的局部变形，降低晶体的机械强度和热稳定性。
4. 间隙原子是指晶体中存在的非晶体或空气中的原子进入了晶体中的间隙位置。
间隙原子的存在会改变晶体的电子结构和热导率。
5. 杂质原子是指晶体中存在的与晶格原子不同种类的原子。
杂质原子的加入会改变晶体的导电性、磁性以及光学性质。
二、线缺陷1. 线缺陷是指晶体结构中存在的一维缺陷，通常是晶体中原子排列发生错位或缺失。
2. 赝位错是指晶体中两个晶格面之间的原子排列发生错位，即晶体中的原子位置发生了偏移。
赝位错会导致晶体的机械强度下降，同时也会引起晶体的局部形变。
3. 堆垛错是指晶体中两个晶格面之间的原子排列发生缺失或添加。
堆垛错会导致晶体局部的结构畸变，进而影响晶体的热稳定性和电子传导性能。
4. 螺错是指晶体中原子排列沿晶体的某一方向发生了扭曲，形成了一种螺旋形的缺陷。
螺错会导致晶体的机械强度下降，同时也会引起晶体的局部形变。
三、面缺陷1. 面缺陷是指晶体结构中存在的二维缺陷，通常是晶格面的错位、缺失或添加。
2. 晶界是指晶体中两个晶粒之间的界面。
晶界是晶体中最常见的面缺陷，其形成原因包括晶体生长过程中的结晶不完全以及晶体在变形过程中的再结晶。
晶界会对晶体的力学性能、电学性能以及化学反应产生显著影响。
3. 双晶是指晶体中存在两个晶界的结构。
点线面缺陷
密度的变化： 简单地考虑肖脱基空位。 密度的变化： 简单地考虑肖脱基空位。空位的形 使得体积增加，由此而将引起密度的减小。 成，使得体积增加，由此而将引起密度的减小。
过饱和点缺陷（如淬火空位，辐照， 过饱和点缺陷（如淬火空位，辐照，塑性变形产生的大 量间隙原子-空位对）还可以提高金属屈服强度。 量间隙原子-空位第 三 节 原 子 的 不 规 则 排 列
(14)
• •
1.3.2.1 位错的基本类型 (2)螺型位错：左螺型位错、右螺型位错 螺型位错： 螺型位错 左螺型位错、 螺位错具有如下的几何特征： (1)螺位错线与其滑移矢量d平行，故纯螺位错只能是 直线。 (2)根据螺旋面的不同，螺位错可分左和右两种，当 螺旋面为右手螺旋时，为右螺位错，反之为左螺位错。 (3)螺位错没有多余原子面，它周围只引起切应变而 无体应变。
(11)
刃型位错的几何特征： 刃型位错的几何特征： (1)位错线与其滑移矢量 垂直，刃型位错可以为任意形 位错线与其滑移矢量d垂直 位错线与其滑移矢量 垂直，刃型位错可以为任意形 状的曲线。 状的曲线。 (2)有多余半原子面。 有多余半原子面。 有多余半原子面 习惯上， 习惯上，把多余半原子面在滑移面以上的位错称为 正刃型位错，用符号“ 表示，反之为负刃型位错， 正刃型位错，用符号“┻”表示，反之为负刃型位错， 表示。 用“┳”表示。刃型位错周围的点阵畸变关于半原子 面左右对称。 面左右对称。
(19)
P 11 12 13Q
O 8 9 10
76 5
4
P 12 13 Q 11
N 3 2 1 M
§1.3.2 线缺陷
第 三 节 原 子 的 不 规 则 排 列 1.3.2.2 柏氏矢量 （1）确定方法 ） a 在位错周围沿着 点阵结点形成 右螺旋的封闭 回路。（柏氏 回路） 回路） b 在理想晶体中按 同样顺序作同 样大小的 样大小 的 回路 。 c 在理想晶体中从 终点到起点的 矢量即为柏氏 矢量。 矢量。 1 2 3 1 2 3 4 4 3 2 1 2 1 1 1
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。
tio2 缺陷结构
tio2 缺陷结构
TIO2（二氧化钛）是一种常见的半导体材料，晶体结构主要
有锐钛矿型（Rutile）、金红石型（Anatase）和布列斯特型（Brookite）等。
这些晶体结构中都存在一些缺陷。
常见的TIO2缺陷结构包括点缺陷、线缺陷和面缺陷。
1. 点缺陷：点缺陷是晶体中原子位置存在缺陷造成的。
例如，氧空位是一种常见的点缺陷。
它指的是晶体中某些氧原子位置上缺少氧原子的情况。
此外，还有钛空位和氧空位相互配对的Frenkel缺陷。
2. 线缺陷：线缺陷是晶体中存在着一维缺陷的区域。
例如，晶体中某些原子沿着某个方向排列出现错位或空缺，形成了位错或孤立线缺陷。
3. 面缺陷：面缺陷是晶体中存在着二维缺陷的区域。
例如，晶体中的晶界和位错墙就是一种面缺陷。
晶界是晶体中两个晶粒的交界处，位错墙是晶体中沿某个方向存在位错的平面。
这些缺陷结构在TIO2的性质和应用中起到重要作用。
它们可
以影响材料的机械性能、光学性质、电学性质等，也对光催化、光伏等应用具有一定的影响。
因此，研究和控制TIO2的缺陷
结构对于提高其性能和开发新的应用具有重要意义。
晶体结构缺陷-类型-面缺陷-固溶体-5
（2） MgO溶解到Al2O3晶格中
2 MgO 2 Mg VO 2OO Al Al2O3
(1－4)
Mgi 3OO 3 MgO 2 Mg Al
Al2O3
(1－5)
（1－5〕较不合理。因为Mg2+进入间隙位置不易发生。
材料科学基础（Fundamentals of Materials Science）
(2) 间隙原子 间隙（interstitial）原子用Mi、Xi表示M或X原子 处于间隙位置。
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(3) 错位原子 错位原子用MX、XM等表示，MX表示M原子占 据X的位置。 (4) 自由电子和电子空穴 在典型离子晶体中，电子（electron）或电子 空穴（hole）是属于特定的离子，可以用离子价来 表示。但在有些情况下，有的电子或空穴可能并不 属于某一特定的离子，在外界的光、电、热作用下， 可以在晶体中运动，这样的电子与孔空称为自由电 子和电子孔空，分别用e’和h表示。其中右上标分 别表示一个单位的负电荷和一个单位正电荷。
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3.2 点缺陷
3.2.1 点缺陷的符号表征－Kroger-Vink符号
(1)空位 空位（Vacancy）用V来表示，则VM、VX分别表示M 原子和X原子空位。符号中的右下标表示缺陷所在位置， VM、VX分别表示M或X位置是空的。
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(4) 电荷缺陷
质点排列的周期性未受到破坏，但因电子或
结晶学 第八章 面缺陷
r a b = < 112 > 6
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金刚石型结构中的本征型和非本征型的层错：
注意： 图中的A，B，C代表的实 际上是A-A′，B-B′，CC′二层原子平面层错区与完 整区的交界处，其不全位错 部位的原子排列情况更为复 杂，而且可能有多种型式如 图8.1.12和8.1.13所示
图8.1.11为插入原子面方式产生的 非本征型层错的原子排列 r a b = < 111 > 3
18
19
金刚石结构中的片状空位团崩塌过程的分析: 金刚石结构中可能产生两种类型的片状空位团，见图8.1.14所示，一 种是AB型，较易产生，实际上是抽去一部分{111}复合晶面。另一种是 BB型，较难产生，会出现大量悬挂键。而容易产生的AB型片状空位团， 若使这种空位团崩塌， 上下原子间的不饱和键的空 间位置关系决定其难以形成 稳定的共价键。从能量角度 看不容易崩塌，在硅晶体中 通过空位团的崩塌产生堆垛 层错的几率很小。空位团更 倾向与杂质等点缺陷复合产 生各种类型的缺陷缔合体或 微缺陷等。
2
A
A
B
A
C B B
A
B B
A
B C C B B
A A
C C B
面心立方结构中产生的层错可以分为两种基本类型： 抽出型(本征型)：在正常层序中抽出一层； 插入型(非本征型)：在正常层序中插入一层。 B A C B A C B A
抽出一层(A) = 插入两层（BC）= 部分△滑移
3
B A
抽 出 型ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
C B C B A
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金刚石型结构中的本征型和非本征型的层错：
B 注意： 图中的A，B，C代表的实 际上是A-A′，B-B′，CC′二层原子平面层错区与完 整区的交界处，其不全位错 部位的原子排列情况更为复 杂，而且可能有多种型式如 图8.1.12和8.1.13所示 A C B A C B C B A
第7章 面缺陷和体缺陷-1
·¸¹T , p j ( jzi)
21
设T为表面位置被吸附分子占据的分数（称吸附覆
盖率），如果表面只有一种吸附位置，并且忽略
被吸附分子间的相互作用，当吸附与脱附达到平
衡后，吸附覆盖率有如下关系：
T 1T
pN
p为气相压力；N是与吸附分子质量、动态过程振动
频率、温度和表面能相关的系数。 • 当压力很小时，T与压强成正比; • 压力很大时，To1，吸附趋于饱和。
3
7.1.1 表面能和表面应力
• 表面形成能或表面能（J）：随着表面积增加 所增加的能量。
• 比表面能（Js）：形成单位面积表面所需作的 功是比表面能。（量刚J/m2，或N/m）。
考察允许界面面积可逆变化 的α-β两相（多元流体）开放
热力学体系，与物质库和热
库连接（即温度T和化学势
保持不变）。
右边的墙移动可以改变α-β两相间的界面积，
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第7章 面缺陷和体缺陷
(一）
1
晶体的面缺陷
表面
界面
表面是晶体平移对称的 界面则出现在晶
终止处，它是材料与气 体内部，晶粒之
相或真空之间的外边界。 间的边界。
• 不同于晶粒内部的结构和性质 • 界面的重要性—界面迁动、晶界偏析、界面扩散等
• 薄膜与多层膜、超点阵、超细微粒与纳米等新型材
R
R
n
n
AB： R=[10]/2，n=[01] ； nR=1 × (1/2)cos90=0 是保守APB。
BC： R=[10]/2, n=[11]/ 2 ； nR= 1×(1/2)cos45 = 2 /4 z 0 是非保守APB。
二维有序合金
CD： R=[10]/2， n=[10] ；nR=1/2z0