面心立方晶体外延膜沉积生长中失配位错的结构与形成过程
晶体材料位错缺陷的形成原因
晶体材料位错缺陷的形成原因
晶体材料是由原子或分子组成的有序排列的固体材料，而位错缺陷是晶体材料中常见的缺陷形式之一。
位错缺陷的形成原因可以有多种，包括外力作用、晶体生长过程中的不均匀性以及热力学和动力学因素等。
外力作用是引起晶体材料位错缺陷形成的重要原因之一。
当晶体受到外力作用时，晶体内部的原子或分子会发生位移，导致晶体结构的变形和变化。
例如，在金属材料中，当外力作用超过材料的屈服强度时，晶体内部会出现塑性变形，即晶体中原子或分子的位移和滑动，从而形成位错缺陷。
晶体生长过程中的不均匀性也是晶体材料位错缺陷形成的原因之一。
晶体的生长过程是一个动态的过程，其中包括原子或分子的扩散和结晶等过程。
然而，在晶体生长过程中，由于温度、浓度、压力等条件的变化，晶体内部的生长速率可能会有差异，导致晶体内部出现结构不均匀性。
这种结构不均匀性会导致晶体内部的位错形成，从而形成位错缺陷。
热力学和动力学因素也是晶体材料位错缺陷形成的重要原因。
在晶体材料中，原子或分子之间存在着各种相互作用力，包括范德华力、离子键、共价键等。
当晶体材料受到外界条件的改变时，这些相互作用力可能发生变化，导致晶体结构的不稳定性。
在这种情况下，
晶体内部的原子或分子会重新排列，从而形成位错缺陷。
晶体材料位错缺陷的形成原因是多方面的，包括外力作用、晶体生长过程中的不均匀性以及热力学和动力学因素等。
这些原因相互作用，共同影响着晶体材料的结构和性能。
因此，在研究晶体材料位错缺陷时，我们需要综合考虑这些因素，以便更好地理解晶体材料的性质和行为。
《实际晶体中的位错》课件
由简单立方，深化到面心立方、体心立方和密排六方晶体中的位错。
基本概念
1.位错的类型
简单立方：b≡点阵矢量—只有全位错
实际晶体：b > = <点阵矢量 ● b＝点阵矢量整数倍— 全位错
其中b＝点阵矢量——单位位错 ● b≠点阵矢量整数倍——不全位错
其中b <点阵矢量——部分位错
原子堆垛
最紧密堆积方式：1，3，5 或2，4，6 位
12
6
3
54
12
6
3
54
相对第一、二层而言，第三层有两种最紧密的堆积方式
，
AB
第一种：是将球对准第一层的球
12 63
54
12 63
54
12 63
54
六方紧密堆积前视图
A B A B A
每两层一个周期：ABAB… 密排六方结构
第三层对准第一层的 2、4、6 位，即 C 层
面心立方晶体的滑移
如：1 a110 1 a121 1 a211
2
6
6
1 a1 10
2
1 a1 2 1
6
1 a211
6
扩展位错的交滑移
位错的束集
● 当螺型位错分解为扩展位错后，其中的层错区只能在原 滑移面上随两个不全位错移动，不能转移到新的滑移面 上。
● 如果这样的扩展位错在滑动过程中受阻，只有重新合并 为螺型全位错才能进行交滑移。
12 63
54
12 63
54
12 63
54
12 63
54
立方堆积示意图
A C B A C B A
全位错和不全位错
以面心立方晶体为例： ABCABCABC堆垛
位错反应与层错理论课件
位错类型
01
02
03
刃型位错
位错线与滑移面重合，滑 移面上方的一个原子平面 突然中断，形成一个额外 的半原子面。
螺型位错
位错线与滑移面不重合， 位错线周围的原子发生旋 转，形成一个螺旋状的原 子面。
混合型位错
同时具有刃型和螺型特征 的位错。
位错在晶体中的表现
01
02
03
04
位错对晶体的力学性质产生影 响，如硬度、韧性、强度等。
形成层错。
热激活
在高温条件下，原子获得足够的能 量，可以克服周围的势垒，实现晶 体的滑移和层错的产生。
应力集中
当晶体受到外力作用时，应力集中 区域容易出现层错，因为应力集中 区域容易产生滑移不协调的现象。
层错对材料性能的影响
机械性能
层错的存在会降低材料的强度和韧性，因为层错本身是一种晶体 缺陷，容易引发应力集中和裂纹扩展。
在工程领域的应用
结构材料
在建筑、航空航天、船舶等工程领域，位错反应与层错理论 的应用有助于优化结构材料的性能，提高结构的安全性和可 靠性。
机械部件
在机械部件的设计和制造过程中，位错反应与层错理论的应 用有助于预测和防止机械部件的疲劳、断裂等问题，延长机 械部件的使用寿命。
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陶瓷材料
在陶瓷材料的制备和优化过程中，位 错反应与层错理论有助于揭示陶瓷材 料的脆性和断裂行为，为陶瓷材料的 增韧和强韧化提供理论支持。
在物理学中的应用
晶体结构
位错反应与层错理论在晶体结构 的研究中发挥了重要作用，有助 于理解晶体结构的形成、稳定性 和相变等物理现象。
相变与热力学
位错反应与层错理论在相变和热 力学的研究中提供了微观机制的 解释，有助于理解物质在不同温 度和压力下的性质变化。
晶体中的位错课件
C92 79！！ 2！36
晶体中的位错课件
按照类似的讨论，最后知道真正能构成5个完全独立的滑移系组 的方式共有384种。面心立方能选择5个完全独立的滑移系的方式 如此之多，说明面心立方晶体具有较高延展性的原因。
体心立方金属，当滑移系为(110)<111>时，按上面对面心立方晶 体讨论相同的方法可知，这类滑移中能构成5个完全独立的滑移系 组也共有384种。当滑移系为{112}<111>时，有648种构成五个完全 独立的滑移系组；如果滑移系可在{110}及{112}面之间搭配，则可能 有21252种（其中有一些是应去掉的）。虽然体心立方可构成的五 个独立滑移系组方式如此多，体心方在低温时仍变脆，这种现象 不能用独立滑移系的多少来解释。
同的后所得的总应变t：
t 2 6 0 2 0 2 1 1 2 6 1 2 0 11 0 2 6 1 00 2 1 1 0 1 10 0 12 102
这证明了这三个滑移系并非完全独立。以这三个滑移系为讨论基点， 再在12个滑移系剩余的9个中任取两个组成五个滑移系组，可能的方 式有
能结合的条件是
这称Fra(b n1 k)判2 据(b。2)2(b3)2
从几何看，当b(1)与b(2)的夹角是锐角时，两个位错是相排斥的； 当b(1)与b(2)的夹角是钝角时，两个位错是相吸的。
晶体中的位错课件
面心立方结构中的部分位错
堆垛及堆垛层错
面心立方结构的最密 排面是{111}，面心立 方结构是以{111}最密 排面按一定的次序堆 垛起来的。
设X，Y，U和V表示任意字母，XY/UV表 示从XY矢量中点引向UV矢量中点并延伸 长度为这两点距离两倍的矢量。它相当
XY/UV=XU+YV
FCC晶体外延薄膜中失配位错形成的动力学条件
术对 Ｆ Ｃ金属 铝 外 延 膜 中失 配 位 错 的形 成 进 行 了 Ｃ 研究 ， 到 了在 ５０Ｋ下 长时 间静 态弛 豫 ， 面和 内 得 ０ 表 部结 构完 整 的外 延 膜 在 ９～８ ０原 子 层 厚 度 范 围 内
外延生长晶体与衬底材料之间存在品格失配 ， 外延
薄膜 中将 不可 避免 地产 生失 配应 变 。失配 应变 能 随 薄膜 的厚 度增 加而 成正 比增 加 ， 到一 定膜 厚 时 ， 达 形 成 失 配位错 所 释放 的应变 能将 可抵 消失 配位 错本 身 的形成 能 ， 而膜厚 超 过该水 平 时 ， 配位 错形 成 的结 失 果 将使 体 系总能 量 降 低 ， 热 力 学 角度 看 此 时 体 系 从 将 自发 形成 失 配 位 错 ， 一 厚 度 称 为 临 界 厚 度 … 。 这 然 而从 动力 学角 度看 。 配位 错 的形 成 难 免 要 通 过 失
有关 ， 而且还与失 配度符号有 密切关 系。
关键 词 ： 失配位错 ； 动力 学条件 ； 配度符 号 ； ； 失 铝 分子动力学
中图分类 号 ：４ １３ Ｏ １． 文献标识码 ： Ａ
异质 外 延 生 长 广 泛 应 用 于各 种 薄 膜 单 晶 的 制 备， 在微 电子 和 光 电子 产 业 中 占有 重要 地 位 。 由 于
收 稿 日期 ：０ ６— ０—２ ２０ １ ５
１ 模 拟 与 分 析 方 法
采用 Ｅｃｌｓ ｒｏ ｓ ｅ ｉ和 Ａ ａ ｓ４建 立 的 嵌 入 原 子 法 ｄｍ ＿
（Ａ 多体势来计算铝原子间的相互作用。该势函数 Ｅ Ｍ） 曾被应用 于铝 的表面扩散 、 Ｊ层错 能与孪 晶生 长 、 纳
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第 ３ 卷第 ２期 １
面心立方金属的基于位错密度的循环本构模型
面心立方金属的基于位错密度的循环本构模型面心立方金属是一类常见的金属结构，具有良好的机械性能和热电性能，被广泛应用于工程领域。
循环变形是金属在使用过程中不可避免的现象，对于面心立方金属而言，其循环本构模型是研究循环变形行为的重要手段之一。
位错密度在金属的循环变形中起着至关重要的作用，因此基于位错密度的循环本构模型成为了研究的热点之一。
一、面心立方金属的微观结构与位错密度面心立方金属的微观结构主要由由密排和基面的层间滑移所决定。
在外力作用下，金属晶体内部的位错会发生滑移，从而引起晶体的变形。
位错是晶格的缺陷，其密度决定了金属的塑性变形能力。
随着位错密度的增加，金属的塑性变形能力也会增加，但过高的位错密度同时也会导致金属的疲劳失效。
面心立方金属的位错密度通常是通过电子显微镜、透射电子显微镜等微观技术进行观测和测量的。
位错密度的大小与金属的加工方式、应力状态、温度等因素有关。
位错密度还可以通过金属的塑性应变来间接反映，这也成为研究位错密度的重要手段之一。
二、基于位错密度的循环本构模型循环本构模型是用来描述金属在循环加载下的变形行为的数学模型。
基于位错密度的循环本构模型是将金属塑性变形的微观机制和位错密度的变化联系起来，从而揭示金属在循环加载下的变形规律和寿命预测。
1. 位错密度与循环变形位错密度对金属的循环变形具有重要影响。
在金属循环加载的过程中，位错会逐渐聚集并堆积，形成微观裂纹和晶界滑移带，从而导致金属的疲劳失效。
位错密度的变化是影响金属循环寿命的重要因素之一。
通过对位错密度的变化进行研究和监测，可以更好地理解金属的循环变形行为。
2. 循环本构模型的建立基于位错密度的循环本构模型需要考虑位错密度的动态变化和裂纹的扩展过程。
一般的建模思路是利用位错密度的动力学方程描述位错的产生、运动和聚集过程，结合裂纹扩展动力学方程描述裂纹的形成和扩展过程，从而得到金属循环变形的数学模型。
3. 模型参数的确定基于位错密度的循环本构模型需要考虑一系列的材料参数，如位错密度的增长速率、裂纹扩展速率等。
沉积原子入射动能对失配位错形成的研究
时， 对薄膜内失 配位错形成的影响。 基于以上分子动力学模拟实
验和分析结果 ， 我们提 出 ： 入射动能足够大 的单原子对外延薄膜 中失配位错的形成有诱发作用 ，且这种诱发作用随原子 的入射 动能增大而增大。原子在 ６ ０ ０ Ｋ下入射到失配度 一 ． ，５个 ００ １ ６
降过程 。 这说 明在上述两种情况下 ， 体系能量下降 的时刻受动能
变化的影响不大 。
原子层厚且表面光滑 的外延铝薄膜时 ，入射动能 只要大 于等 于
０１ｅ ． Ｖ就可以诱发失配位错的形成。 ４
参考文献：
＞
０
５ ０
１０ ０
１０ ５
２０ ０
２０ ５
３０ ０
３０ ５
４０ ０
积原子入射到 Ｆ Ｃ位置上 ， Ｃ 外延薄膜的能量变化曲线 。可 以看 出动 能为 １ ｅ ． Ｖ的沉 积原子入射 到薄膜 表面 中心的 Ｆ Ｃ位置 ４ Ｃ 后 ，体系的能量 在 ｌＯ ｓ Ｏ ｐ 附近也有一个下降过程 ；动能分别为 ７ Ｖ和 １ ｅ ｅ ０Ｖ的沉积原子入射到薄膜表面后 ， 两体 系能量 曲线 的
０ ５ ０ １０ Ｏ １０ ５ ２ ０ ０ ２ ０ ５ ３０ ０ ３ ０ ５ ４ ０ ０
１ ７－１ ０ ７ ８
Ｔｉ ｅｔｐ ｍ ｓ
图 ３不 同动能的沉积原子入射到外延薄膜 Ｆ Ｃ位置上 ， 系 Ｃ 体
的 能量 变化 曲线
［ ５ 】叶子 燕， 张庆瑜， 能 ｐ 原子 团簇沉积过程 的分子动 力学模 低 ｔ ＃ ｌ． ０ ，１ ７ ８ ２ ０ ． ａｊ ２ ２ ： ９ — ８３ ］０ ５ ２
面心立方晶体弗兰克不全位错形成方式
面心立方晶体弗兰克不全位错（Frankel Defect）是固体材料中常见的晶格缺陷之一。
它的形成对材料的性能和特性有着深远的影响，因此深入了解其形成方式对于材料科学和工程具有重要意义。
本文将介绍面心立方晶体弗兰克不全位错的形成方式，以帮助读者更好地理解这一晶格缺陷。
1. 弗兰克不全位错的定义弗兰克不全位错是晶体中一种常见的点缺陷，它是指晶体中原子的位置发生了偏移，而不是出现了新的原子。
具体来说，弗兰克不全位错是由于晶体中一个正离子离开其原位，同时在空隙处留下一个空位，从而导致晶体中出现了偏差。
这种偏差会对晶体的物理性质产生显著影响。
2. 形成方式弗兰克不全位错的形成方式主要有两种：热激活和辐射损伤。
2.1 热激活在晶体中，原子具有一定的热运动。
当晶体受到热激活时，原子会不断地进行热振动，从而有可能发生位置的漂移。
在面心立方晶体中，当一个正离子向外偏离其原位时，会在其原位置留下一个空位，形成弗兰克不全位错。
这种形成方式是晶体中常见的，也是晶体材料在高温条件下产生弗兰克不全位错的重要原因之一。
2.2 辐射损伤另一种形成弗兰克不全位错的方式是辐射损伤。
辐射能量可以导致晶体中发生原子的位移和损伤，从而形成弗兰克不全位错。
这种方式通常发生在受到放射性物质辐射的晶体材料中，例如核反应堆中的燃料元素就会受到中子的辐射，从而导致晶体结构发生变化和损伤。
3. 形成机制弗兰克不全位错的形成机制主要与晶体的结构和原子间的相互作用有关。
在面心立方晶体中，正离子通常被密堆积地排列，因此当一个正离子离开其原位时，会在其原位置留下一个空位。
这种空位随后又会通过扩散等机制在晶体中进行传播，从而导致弗兰克不全位错在晶体中扩展和形成。
4. 总结面心立方晶体弗兰克不全位错的形成方式主要包括热激活和辐射损伤两种机制。
这些形成方式和机制对于材料科学和工程具有重要意义，有助于科学家和工程师更好地理解晶体材料中的晶格缺陷和其对材料性能的影响。
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面心立方晶体外延膜沉积生长中失配位错的结构与形成过程
失配位错，指的是体心立方晶体外延生长中，原子与其结晶网络中的原子形成的化学键的连接失配。
原子与原子间的距离发生变化，使超晶格结构被打乱，磁耦合和电势分布相应受到影响。
失配位错在体心立方晶体外延生长中的形成过程，主要有两种发生机制，前者由沉积在晶体形成的表面的原子的移动造成，后者是晶内的原子振荡，使得晶内原子与其附近的原子之间的距离出现变化而形成失配位错。
沉积在晶体表面的原子的移动，会对晶体的结构产生影响，如果表面原子的移动不能与形成的表面结构协调，则会形成失配位错。
当温度升高，原子振荡幅度变大，原子与附近原子之间的距离发生变化，也会导致形成失配位错。
失配位错具有极大的影响，首先，失配位错会在晶体形变的过程中破坏晶格的稳定性，并对其形成的表面结构形成影响，其次，失配位错会影响超晶格的结构，破坏晶体外延膜的电性特性，从而影响光学性能。
因此，在体心立方晶体外延生长过程中，实验人员应该控制失配位错的生成，使得其中所构成晶体外延膜的失配位错生成在可控范围之内，从而保证晶体外延膜的光学性能。