固体物理(第9课)晶体缺陷
晶体缺陷异质结构
晶体缺陷异质结构在固体物理学中，晶体缺陷异质结构是一个关键的研究领域，它涉及到晶体中原子排列的局部不规则性及其对材料性能的影响。
晶体通常以其规则的原子排列和长程有序性而著称，然而，在实际晶体中，总会存在各种各样的缺陷和不规则性。
这些缺陷可以是由原子或离子的缺失、取代或位置错乱引起的，也可以是由外部因素如辐射、杂质或温度变化等引起的。
当这些缺陷以特定的方式排列或聚集时，它们就形成了所谓的“异质结构”。
一、晶体缺陷的类型晶体缺陷主要分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种类型。
1.点缺陷：点缺陷是最简单的晶体缺陷形式，它只涉及到晶体中单个或少量原子的位置错乱。
常见的点缺陷有空位、填隙原子和反位原子。
空位是指晶体中某个位置上原子的缺失；填隙原子是指位于晶体正常点阵间隙中的多余原子；反位原子则是指晶体中某种类型的原子占据了另一种类型原子的位置。
2.线缺陷：线缺陷，也称为位错，是晶体中一种常见的一维缺陷。
位错可以看作是晶体中一部分原子相对于其他部分发生了滑移，形成了一条连续的错位线。
位错对晶体的力学性质、电学性质等都有重要影响。
3.面缺陷：面缺陷是晶体中二维的缺陷形式，包括晶界、孪晶界和堆垛层错等。
晶界是指不同晶粒之间的界面，孪晶界是指晶体中两部分原子排列呈镜像对称的界面，而堆垛层错则是指晶体中原子层的堆垛顺序发生了错误。
二、异质结构的形成异质结构通常是由不同类型的晶体缺陷相互作用、聚集或排列而形成的。
例如，在某些情况下，点缺陷可能会聚集在一起形成团簇或纳米尺度的结构；线缺陷可能会相互交错或形成网络结构；而面缺陷则可能会分隔晶体成不同的区域或畴。
这些缺陷的聚集和排列方式取决于晶体的生长条件、处理历史以及外部环境等因素。
三、晶体缺陷异质结构对材料性能的影响晶体缺陷异质结构对材料的物理、化学和机械性能都有显著的影响。
以下是一些主要方面：1.力学性质：晶体缺陷可以降低材料的强度和硬度，增加其塑性和韧性。
例如，位错可以作为滑移的起点和传播路径，在材料受力时促进塑性变形。
固体物理中的晶体缺陷
固体物理中的晶体缺陷在固体物理研究中，晶体缺陷是一个非常重要的课题。
晶体是由周期性排列的原子、分子或离子构成的固体，而晶体缺陷则是指晶体中的缺陷点、线和面。
这些缺陷对于晶体的性质和行为产生了显著的影响。
本文将从晶体缺陷的分类、形成机制以及对物性的影响等方面进行探讨。
一、晶体缺陷的分类晶体缺陷根据其维度可以分为点缺陷、线缺陷和面缺陷。
点缺陷是指晶体中存在的原子位置的空位（vacancy）和替位（substitution）缺陷。
线缺陷包括位错（dislocation）、脆性裂纹（brittle fracture）、折叠失配（folding fault）等。
面缺陷主要是晶界（grain boundary）、孪晶（twin boundary）和表面（surface）等。
二、晶体缺陷的形成机制晶体缺陷的形成机制多种多样。
其中，点缺陷的形成主要包括热激活、辐射效应、化学效应等。
线缺陷的形成可以通过应力场的作用和晶体生长过程中的失配等方式。
而面缺陷的形成则与晶体生长过程中的界面结构和生长条件等有关。
三、晶体缺陷对物性的影响晶体缺陷对物性的影响是多方面的。
首先，点缺陷会降低晶体的密度和导致电子、离子、空穴和电子空穴对的迁移，从而影响晶体的电导率。
其次，线缺陷会导致晶体的力学性能发生变化，影响其强度、塑性和断裂行为。
此外，面缺陷会引起界面的能量变化，影响晶体的界面迁移和晶粒生长等过程。
晶体缺陷还对光学性质、磁性和热导率等方面有影响。
四、应用和研究进展晶体缺陷的研究不仅对于基础科学的发展具有重要意义，而且在材料科学、电子器件、能源领域等方面也有广泛的应用前景。
例如，通过控制晶体缺陷可以改善材料的导电性能、光学性能和力学强度，从而提高材料的性能。
近年来，一些新型晶体缺陷的发现和调控方法的研究也取得了重要进展，为材料设计和制备提供了新的思路。
总结起来，固体物理中的晶体缺陷是一个复杂而又引人注目的研究领域。
通过对晶体缺陷的分类、形成机制以及对物性的影响的研究，我们可以更好地理解晶体的性质和行为，并为材料科学和其他相关领域的发展提供重要参考。
《晶体缺陷》课件
热稳定性
晶体缺陷可能影响材料在高温下的稳 定性，降低其使用温度范围。
比热容
晶体缺陷可能影响比热容，改变材料 吸收和释放热量的能力。
光学性能的影响
折射率与双折射
光吸收与散射
晶体缺陷可能导致折射率变化和双折射现 象，影响光学性能。
晶体缺陷可能导致光吸收增强或光散射增 加，改变光学透射和反射特性。
荧光与磷光
热电效应
某些晶体缺陷可能导致热电效应增强，影响 热电转换效率。
介电常数
晶体缺陷可能影响介电常数，改变电场分布 和电容。
电阻温度系数
晶体缺陷可能影响电阻温度系数，改变温度 对电阻的影响。
热学性能的影响
热导率变化
晶体缺陷可能降低材料的热导率，影 响热量传递和散热性能。
热膨胀系数
晶体缺陷可能影响热膨胀系数，影响 材料在温度变化下的尺寸稳定性。
。
韧性下降
晶体缺陷可能导致材料韧性下 降，使其在受到外力时更容易
脆裂。
疲劳性能
晶体缺陷可能影响材料的疲劳 性能，降低其循环载荷承受能
力。
强度与延展性
晶体缺陷可能影响材料的强度 和延展性，从而影响其承载能
力和塑性变形能力。
电学性能的影响
导电性变化
晶体缺陷可能改变材料的导电性，影响其在 电子设备中的应用。
传感器
基于晶体缺陷的原理，可以设计新型传感器，如压力传感 器、温度传感器和气体传感器等，以提高传感器的灵敏度 和稳定性。
在新能源领域中的应用
太阳能电池
在太阳能电池中，可以利用晶体 缺陷来提高光吸收效率和载流子 的收集效率，从而提高太阳能电
池的光电转换效率。
燃料电池
在燃料电池中，可以利用晶体缺陷 来改善电极的催化活性和耐久性， 从而提高燃料电池的性能和稳定性 。
第四章 固体物理-晶体缺陷
点缺陷
• Frenkel 缺陷 、Schottky缺陷、填隙原子缺陷 成对出现 只有空位 只有填隙原子
线缺陷
刃位错：刃位错的构成象似一把刀劈柴似的，把半个原子面夹到完整晶体中，这半 个面似刀刃，因而得名。它的特点是：原子只在刃部的一排原子是错排的，位错线 垂直于滑移方向。
F H A’
b
刃位错
A
B
有N个原子的体系，如果有n1个空位，每个原子旁有 空位的几率为n1/N，因此因空位引起的单位时间内的 原子迁移几率为（扩散率）：q = n1q’/N。将（4.6） 和（4.4）代入有：
q n 01e
（u1 E1 ） / kT
（ 4.15 ）
将（4.15）代入（4.9）有：
1 2 （u1 E1 ） / kT D1 n 01e 6 即 D1 D01e Q1 / kT
（ 4.16 ） （ 4.17 ）
1 2 D01 n 01， Q1 N （ ）， A u1 E1 6 N A为阿弗加德罗常数，和 （ 4.6 ）所示经验公式符合
二、填隙原子机制
当原子由正常位置进入间隙位置之后，可以比较容易在 两个间隙中发生移动，从而产生扩散。
从正常位置跳入间隙位置的所需能量为u2，跳入几率为：
B’
E
螺位错：当晶体中存在螺位错时，原来的一组晶面就象变成似单个晶面组成的螺旋阶梯 。它的特点是：原子只在靠近阶梯的部分排错一列原子，位错线和位移方向平行。
A’
螺位错
A B
A’
b
A’
B
A
C
面位错 晶界和堆垛层错
§4.2 热缺陷数目的统计方法
热缺陷是处在不断产生、不断运动和不断复合的热运动 平衡过程中。
固体物理 第三章_ 晶体中的缺陷
4
由以上讨论可知： 刃位错： 外加切应力的方向、原子的滑移方向和位错 线的运动方向是相互平行的。 螺位错： 外加切应力的方向与原子的滑移方向平行， 原子的滑移方向与螺位错的运动方向垂直。 在左右两部分受到向上和向下的切应力的作 用时，位错线向前移动，直到位错线移动到 尽头表面，这时左右两部分整个相对滑移b 的距离，晶体产生形变。
固体物理第三章
1. 热缺陷：由热起伏的原因所产生的空位和填隙原 子，又叫热缺陷，它们的产生与温度直接有关
(a) 肖脱基缺陷
(b)弗伦克耳缺陷
(c) 间隙原子
固体物理第三章
（ a ）肖特基缺陷 (vacancy) ：原子脱离正常格点 移动到晶体表面的正常位置，在原子格点位置 留下空位，称为肖特基缺陷。 （b）弗伦克尔缺陷(Frenkel defect)，原子脱离格 点后，形成一个间隙原子和一个空位。称为弗 伦克尔缺陷。 （c）间隙原子(interstitial)：如果一个原子从正常 表面位置挤进完整晶格中的间隙位置则称为间 隙原子，由于原子已经排列在各个格点上，为 了容纳间隙原子，其周围的原子必定受到相当 大的挤压。
固体物理第三章 固体物理第三章
产生位错的外力: 机械应力：挤压、拉伸、切割、研磨 热应力：温度梯度、热胀冷缩 晶格失配： 晶体内部已经存在位错，只用较小的外力就 可推动这些位错移动，原来的位错成为了位错 源，位错源引起位错的增殖，有位错源的晶体 屈服强度降低。 晶体的屈服强度强烈地依赖于温度的变化。 T升高，原子热运动加剧，晶体的屈服强度下 降，容易产生范性形变。
固体物理第三章
在实际晶体中，由于存在某种缺陷，所以晶 面的滑移过程，可能是晶面的一部分原子 先发生滑移，然后推动同晶面的另一部分 原子滑移。按照这样的循序渐移，最后使 上方的晶面相对于下方的晶面有了滑移。 1934 年， Taylor( 泰勒 ), orowan( 奥罗万 ) 和 Polanyi( 波拉尼）彼此独立提出滑移是借助 于位错在晶体中运动实现的，成功解释了 理论切应力比实验值低得多的矛盾。
晶格缺陷
第四章晶体中的缺陷与扩散晶体缺陷的基本类型热缺陷的统计理论晶体中的扩散离子晶体的点缺陷及导电性4-1晶体缺陷的基本类型晶体缺陷（晶格的不完整性）：晶体中任何对完整周期性结构的偏离就是晶体的缺陷。
按缺陷的几何形状和涉及范围将缺陷分为：点缺陷、线缺陷和面缺陷。
一、点缺陷点缺陷是在格点附近一个或几个晶格常量范围内的一种晶格缺陷，如空位、填隙原子、杂质等。
由于空位和填隙原子与温度有直接的关系，或者说与原子的热振动有关，因此称他们为热缺陷。
１．弗仑克尔缺陷和肖特基缺陷弗仑克尔缺陷：当晶格中的原子脱离格点后，移到间隙位置形成填隙原子时，在原来的格点位置处产生一个空位，填隙原子和空位成对出现，这种缺陷称为弗仑克尔缺陷。
肖特基缺陷：当晶体中的原子脱离格点位置后不在晶体内部形成填隙原子，而是占据晶体表面的一个正常位置，并在原来的格点位置产生一个空位，这种缺陷称为肖特基缺陷。
２．杂质原子在材料制备中，有控制地在晶体中引入杂质原子，若杂质原子取代基质原子而占据格点位置，则成为替位式杂质。
当外来的杂质原子比晶体本身的原子小时，这些比较小的外来原子很可能存在于间隙位置，称它们为填隙式杂质。
填隙式杂质的引入往往使晶体的晶格常量增大。
３．色心能吸收可见光的晶体缺陷称为色心。
完善的晶体是无色透明的，众多的色心缺陷能使晶体呈现一定颜色，典型的色心是Ｆ心。
把碱卤晶体在碱金属的蒸气中加热，然后使之聚冷到室温,则原来透明的晶体就出现了颜色，这个过程称为增色过程，这些晶体在可见光区各有一个吸收带称为F带，而把产生这个带的吸收中心叫做F心。
４．极化子电子吸引邻近的正离子，使之内移。
排斥邻近的负离子，使之外移，从而产生极化。
电子所在处出现了趋于束缚这电子的势能阱，这种束缚作用称为电子的“自陷”作用。
产生的电子束缚态称为自陷态，同杂质所引进的局部能态有区别，自陷态永远追随着电子从晶格中一处移到另一处，这样一个携带着周围的晶格畸变而运动的电子，可看作一个准粒子(电子＋晶格的畸变），称为极化子。
固体物理中的晶体缺陷
固体物理中的晶体缺陷学院：化学化工与生物工程学院班级：生物1301学号： 131030114姓名：李丹丹固体物理中的晶体缺陷1.国内外进展及研究意义1.1 国内外对晶体缺陷的研究现状和发展动态19世纪中叶布拉非发展了空间点阵，概括了点阵周期性的特征，1912年劳厄的晶体X 射线衍射实验成功后，证实了晶体中原子作规则排列，从理想晶体结构出发，人们发展了离子晶体的点阵理论和金属的电子理论，成功的计算了离子晶体的结合能，对于金属晶体的原子键能也有了初步了了解，并很好的解释了金属的电学性质。
随后人们又认识到了晶体中原子并非静止排列，它在晶体中的平衡阵点位置作震动，甚至在绝对零度也不是凝固不动的，即还有所谓零点能的作用，从这个理论出发建立了点阵震动理论，从而建立了固体的比热理论。
在20世纪20年代以后人们就发现晶体的许多性质很难用理想晶体结构来解释，提出晶体中有许多原子可能偏离规则排列，即存在有缺陷，并企图用此来解释许多用理想晶体结构无法解释的晶体性质。
W.Schottky为了解释离子晶体的电介电导率问题，提出在晶体中可能由于热起伏而产生填隙离子和空位，而且发现食盐的电介导电率与这些缺陷的数目有关。
随后为了解决晶体屈服强度的实验数据值与理论估计之间的巨大差别，又引进了位错这一晶体缺陷。
今年来人们对晶体中各种缺陷有了更深刻的认识，建立了晶体缺陷理论。
理想晶体在实际中并不存在。
实际晶体或多或少存在各种杂质和缺陷。
国内外学者通过使用显微镜的对物质性能与缺陷的关系研究得相当多，也在一定意义上取得了可喜的进展。
1.2 晶体缺陷的研究意义在晶体的生长及形成过程中，由于温度、压力、介质组分浓度等外界环境中各种复杂因素变化及质点热运动或受应力作用等其他条件的不同程度的影响会使粒子的排列并不完整和规则，可能存在空位、间隙粒子、位错、镶嵌结构等而偏离完整周期性点阵结构，形成偏离理想晶体结构的区域，我们称这样的区域为晶体缺陷，它们可以在晶格内迁移，以至消失，同时也可产生新的晶体缺陷。
晶体缺陷及其应用
晶体缺陷及其应用摘要少量晶体缺陷对于晶体的物理性能能够产生重要影响，所以可以根据不同的晶体缺陷，开发利用其产生的影响，充分发挥可能产生的作用，研究并制备具有不同性能的材料，以适应人们不同的实际需要和时代的发展需求。
关键词晶体缺陷性能铁磁性电阻半导体材料引言在讨论晶体结构时，我们认为晶体的结构是三维空间内周期有序的，其内部质点按照一定的点阵结构排列。
这是一种理想的完美晶体，它在现实中并不存在，只作为理论研究模型。
相反，偏离理想状态的不完整晶体，即有某些缺陷的晶体，具有重要的理论研究意义和实际应用价值。
所有的天然和人工晶体都不是理想的完整晶体，它们的许多性质往往并不决定于原子的规则排列，而决定于不规则排列的晶体缺陷。
晶体缺陷对晶体生长、晶体的力学性能、电学性能、磁学性能和光学性能等均有着极大影响，在生产上和科研中都非常重要，是固体物理、固体化学、材料科学等领域的重要基础内容。
研究晶体缺陷因此具有了尤其重要的意义。
本文着重对晶体缺陷及其对晶体的影响和应用进行阐述。
1.晶体缺陷的定义和分类1.1 晶体缺陷的定义在理想的晶体结构中，所有的原子、离子或分子都处于规则的点阵结构的位置上，也就是平衡位置上。
1926 年Frenkel 首先指出，在任一温度下，实际晶体的原子排列都不会是完整的点阵，即晶体中一些区域的原子的正规排列遭到破坏而失去正常的相邻关系。
我们把实际晶体中偏离理想完整点阵的部位或结构称为晶体缺陷（defects of crystals）[1]。
1.2 晶体缺陷的分类1.2.1、按缺陷的几何形态分类可分为四类：点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷。
1.点缺陷（零维缺陷）：缺陷尺寸处于原子大小的数量级上，即三维方向上缺陷的尺寸都很小。
包括：空位（vacancy）、间隙原子（interstitial particle）、异类原子（foreign particle）。
点缺陷与材料的电学性质、光学性质、材料的高温动力学过程等有关。