第2章 点缺陷
合集下载
第二章半导体中的杂质和缺陷
●+ ○- ●+ ○- ●+
○- ●+ ○- ●+ ○-
●+ ○- ●+ ○- ●+
a.负离 子空位
○-
●+
○-
●+
○-
●+
○-
电负性
小
●+
●+ -
○-
●+
●原子失去电子后
○-
●+
○-
●+
○-
●+
○-
●+
●+
○-
●+
●+
○-
○-
●+
●+
○-
○-
●+
●+
○-
○-
●+
●+
○-
○-
1. Ⅲ－Ⅴ族化合物半导体中的杂质和缺陷
(1)杂质
理想的 GaAs 晶格为
= Ga‖
= As+ ‖
= Ga‖
= As+ ‖
= Ga‖
= As+ ‖
= Ga- = ‖
= As+ = ‖
= Ga- = ‖
●施主杂质
Ⅵ族元素(Se、S、Te) 在 GaAs 中通常 都替代Ⅴ族元素As原子的晶格位置。
Ⅵ 族 杂 质 在 GaAs 中 一 般 起 施 主 作 用 ， 为浅施主杂质。
VGa、VAs、AsI 是起施主还是起受主作用， 尚有分歧。 较多的人则采用 VAs、AsI 为施主、VGa 是受主的观点来解释各种实验结果。
2.Ⅱ－Ⅵ族化合物半导体的杂 质和缺陷
Ⅱ－Ⅵ族化合物半导体是 典型的离子键化合物。
○- ●+ ○- ●+ ○-
●+ ○- ●+ ○- ●+
a.负离 子空位
○-
●+
○-
●+
○-
●+
○-
电负性
小
●+
●+ -
○-
●+
●原子失去电子后
○-
●+
○-
●+
○-
●+
○-
●+
●+
○-
●+
●+
○-
○-
●+
●+
○-
○-
●+
●+
○-
○-
●+
●+
○-
○-
1. Ⅲ－Ⅴ族化合物半导体中的杂质和缺陷
(1)杂质
理想的 GaAs 晶格为
= Ga‖
= As+ ‖
= Ga‖
= As+ ‖
= Ga‖
= As+ ‖
= Ga- = ‖
= As+ = ‖
= Ga- = ‖
●施主杂质
Ⅵ族元素(Se、S、Te) 在 GaAs 中通常 都替代Ⅴ族元素As原子的晶格位置。
Ⅵ 族 杂 质 在 GaAs 中 一 般 起 施 主 作 用 ， 为浅施主杂质。
VGa、VAs、AsI 是起施主还是起受主作用， 尚有分歧。 较多的人则采用 VAs、AsI 为施主、VGa 是受主的观点来解释各种实验结果。
2.Ⅱ－Ⅵ族化合物半导体的杂 质和缺陷
Ⅱ－Ⅵ族化合物半导体是 典型的离子键化合物。
ch3.1 晶体缺陷--点缺陷(空位)(07级)
第三章 晶体缺陷
二.本章重点及难点 • 1、点缺陷的平衡浓度公式 • 2、位错类型的判断及其特征、柏氏矢量 的特征， 位错类型的判断及其特征、 的特征， • 3 、 位错源 、 位错的增殖 ( F-R 源 、 双交滑移机制等 ) 和运 位错源、位错的增殖( 双交滑移机制等) 动、交割 • 4、关于位错的应力场、位错的应变能、线张力等可作为 关于位错的应力场、位错的应变能、 一般了解 • 5、晶界的特性(大、小角度晶界)、孪晶界、相界的类型 晶界的特性( 小角度晶界) 孪晶界、
离子晶体点缺陷类型
第三章 晶体缺陷
3.1.2 点缺陷的平衡浓度
空位形成时系统自由能的变化：ΔF=△ 空位形成时系统自由能的变化：ΔF=△U-T△S 时系统自由能的变化 内能(Internal energy)变化 △U 。 n 个内能为 u 的点缺陷 变化△ 个内能为u 内能 变化 使系统内能增加总量为: 使系统内能增加总量为 △U＝n△Ev • 空位形成能( energy): 空位形成能 ( vacancy formation energy): 形成一个空 位时引起系统能量的增加，记为△ 位时引起系统能量的增加，记为△Ev • 与组态熵变化有关： T△S与组态熵变化有关：点缺陷的存在使体系混乱程度 增大，大大增加了系统的熵值。 增大，大大增加了系统的熵值。 • 通过热力学分析，在绝对零度以上的任何温度， 通过热力学分析，在绝对零度以上的任何温度，晶体中 最稳定的状态是含有一定浓度的点缺陷的状态， 最稳定的状态是含有一定浓度的点缺陷的状态，这个浓度称 为 该 温 度 下 晶 体 中 点 缺 陷 的 平 衡 浓 度 ( equilibrium consistence)。经热力学推导： consistence)。经热力学推导： • •
第二章半导体中杂质和缺陷能级
n=时，氢原子电离： E=0 氢原子的电离能：
信息科学与工程技术学院
E0 E E1 13.6eV
* mn 0.12m0 半导体物理学
半导体中杂质和缺陷能级
2.1 硅、锗晶体中的杂质能级
• 晶体内杂质原子束缚的电子： m0mn*, mp*; 0 r0 * 4 * * mn E 0 mn 施主杂质的电离能：E mn q 13.6 D 2 2 2 2 m0 r 8 r 0 h m0 r2 Si:
信息科学与工程技术学院
半导体物理学
半导体中杂质和缺陷能级
间隙式杂质、替位式杂质
(a) 间隙式扩散(interstitial) (b) 替位式扩散(substitutional)
间隙式杂质： O, Fe, Ni, Zn, Mg
杂质原子比较小
信息科学与工程技术学院
替位式杂质 P，B，As, Al, Ga, Sb, Ge
• 2.1.2 施主杂质、施主能级
+
信息科学与工程技术学院
半导体物理学
半导体中杂质和缺陷能级
2.1 硅、锗晶体中的杂质能级
• 2.1.2 施主杂质、施主能级
多余的电子束缚在正电中心，但这种束缚很弱 很小的能量就可使电子摆脱束缚，成为在晶格中 导电的自由电子，而Ⅴ族原子形成一个不能移动 的正电中心。 硅、锗中的Ⅴ族杂质，能够施放电子而在导带 中产生电子并形成正电中心，称为施主杂质或N 型杂质，掺有N型杂质的半导体叫N型半导体。施 主杂质未电离时是中性的，电离后成为正电中心。
信息科学与工和缺陷能级
总结
受主杂质
信息科学与工程技术学院
施主杂质
半导体物理学
半导体中杂质和缺陷能级
第二章_半导体杂质和缺陷能级
例如二元化合物AB中，替位原子可以有两种，A取代B的称
为AB，B取代A的称为BA。
一般认为AB是受主，BA是施主。因为B的价电子比A的多， B取代A后，有把多余的价电子施放给导带的趋势；相反，A取 代B后则有接受电子的倾向。例如在砷化镓中，砷取代镓原子为 AsGa，起施主作用，而镓取代砷原子为GaAs，起受主作用。这种 点缺陷也称为反结构缺陷。
掺杂浓度及掺杂时的外界条件有关。
两性杂质
两性杂质是指在半导体中既可作施主又可作受主的 杂质。
如Ⅲ-Ⅴ族GaAs中掺Ⅳ族Si。
如果Si替位Ⅲ族As，则Si为施主；
如果Si替位Ⅴ族Ga，则Si为受主。
所掺入的杂质具体是起施主还是受主与工艺有关。
5、VI族元素
氧、硫、硒、碲与V族元素性质相近，常取代V族原子。
在离子性强化合物的半导体，由于组成晶 体的元素偏离正常化学比而形成的缺陷。
A B A B A B
VA
B
B A B A
A B A B A B B A B A B A A B A A B VB B A B A B A
偏离化学比缺陷
PbS
S空位 Pb 空位 脱氧
n型 p型 n型
ZnO
替位式原子（反结构缺陷）
当ND>>NA时
n= ND-NA ≈ ND，半导体是n型的
当ND<<NA时
p= NA-ND ≈ NA，半导体是p型的
杂质的高度补偿 补偿后半导体中的净杂质浓度。
当ND≈NA时
有效杂质浓度
当ND>NA时
ND-NA 为有效施主浓度
为AB，B取代A的称为BA。
一般认为AB是受主，BA是施主。因为B的价电子比A的多， B取代A后，有把多余的价电子施放给导带的趋势；相反，A取 代B后则有接受电子的倾向。例如在砷化镓中，砷取代镓原子为 AsGa，起施主作用，而镓取代砷原子为GaAs，起受主作用。这种 点缺陷也称为反结构缺陷。
掺杂浓度及掺杂时的外界条件有关。
两性杂质
两性杂质是指在半导体中既可作施主又可作受主的 杂质。
如Ⅲ-Ⅴ族GaAs中掺Ⅳ族Si。
如果Si替位Ⅲ族As，则Si为施主；
如果Si替位Ⅴ族Ga，则Si为受主。
所掺入的杂质具体是起施主还是受主与工艺有关。
5、VI族元素
氧、硫、硒、碲与V族元素性质相近，常取代V族原子。
在离子性强化合物的半导体，由于组成晶 体的元素偏离正常化学比而形成的缺陷。
A B A B A B
VA
B
B A B A
A B A B A B B A B A B A A B A A B VB B A B A B A
偏离化学比缺陷
PbS
S空位 Pb 空位 脱氧
n型 p型 n型
ZnO
替位式原子（反结构缺陷）
当ND>>NA时
n= ND-NA ≈ ND，半导体是n型的
当ND<<NA时
p= NA-ND ≈ NA，半导体是p型的
杂质的高度补偿 补偿后半导体中的净杂质浓度。
当ND≈NA时
有效杂质浓度
当ND>NA时
ND-NA 为有效施主浓度
半导体物理 第二章 杂质能级剖析
EA
m
E0 m0 r 2
* p
可得同一个数量级 ED 0.025eV (Si)
§2.1.5 杂质的补偿作用
杂质补偿：半导体中存在施主杂质和受主杂质时， 它们底共同作用会使载流子减少，这种作用称为 杂质补偿。在制造半导体器件底过程中，通过采 用杂质补偿底方法来改变半导体某个区域底导电 类型或电阻率。
施主杂质的电离过程，可以 用能带图表示 如图2-4所示.当电子得到能ED 量后，就从施主的束缚态跃 迁到导带成为导电电子，所 以电子被施主杂质束缚时的 能量比导带底 E 低 。 E 将被施主杂质束缚的电子的 E 能量状态称为施主能级，记 为 ED ，所以施主能级位于 离导带底很近的禁带中
§2.1.3 受主杂质 受主能级
使空穴挣脱束缚成为导电空穴所需要的能量称为 受主杂质电离能 受主杂质电离后成为不可移动的带负电的受主离 子，同时向价带提供空穴，使半导体成为空穴导 电的p型半导体。
§2.1.3 受主杂质 受主能级
受主杂质的电离过程，可 以用能带图表示 如图2-6所示.当空穴得到 EA 后，就从受主的束 能量 缚态跃迁到价带成为导电 空穴，所以电子被受主杂 EV 质束缚时的能量比价带顶 高 E 。将被受主杂质 束缚的空穴的能量状态称 为受主能级，记为 ，所 E 以受主能级位于离价带顶 很近的禁带中
§2.1.2 施主杂质 施主能级
上述电子脱离杂质原子的束缚成为导电电子的 过程称为杂质电离 使个多余的价电子挣脱束缚成为导电电子所需 要的能量称为杂质电离能 施主杂质电离后成为不可移动的带正电的施主 离子，同时向导带提供电子，使半导体成为电 子导电的n型半导体。
§2.1.2 施主杂质 施主能级
§2.1.4 浅能级杂质电离能的简单计算
第二章半导体中杂质和缺陷能级
24
2.3.1 点缺陷
2.3.1 点缺陷
2.3.2 位错
汇报完毕！谢谢！
• Si中几种Ⅴ族施主电离能如下：
• Si中几种Ⅲ族受主电离能如下：
杂质基态的玻尔半径〔Bohr):
aB m0*shq22 s(m m0*)a0 0.52s(m m0*)
a0是氢原子基态的径 玻尔半
2.1.5 杂质的补偿作用
当同一块半导体中同时存在施主杂质和受主杂质时， 这种两种不同类型的杂质有互相抵偿的作用，称为杂 质补偿作用。
19
2.1.6 深能级杂质
深能级杂质的作用 1. ΔED，ΔEA 较大，杂质电离作用较弱，对载流子〔导电电 子和空穴〕浓度影响较小； 2. 对载流子的复合作用较大〔复合中心〕，降低非平衡载流 子的寿命。
2.2 III-V族化合物中的杂质能级
2.2.1 GaAs中的杂质
等电子杂质 (等电子陷阱〕
补偿后半导体中的净杂质浓度为有效杂质浓度，只 有有效的杂质浓度才能有效地提供载流子浓度。
空间角度的理解：施主周围有多余的价电子，受主 周围缺少价电子，施主多余的价电子正好填充受主周 围空缺的价键电子，使价键饱和，使系统能量降低， 稳定状态。
16
2.1.5 杂质的补偿作用 能带角度的理解：
n＝ N D － N AN D
• 在Si、Ge元素半导体和Ⅲ－Ⅴ族化合物半导体等最重要的 半导体材料中发现： 参加多一个价电子的元素，如在Si 、 Ge中参加P、As、Sb，或在Ⅲ－Ⅴ族化合物中参加Ⅵ族元素， 这些掺入的杂质将成为施主；
• 参加少一个价电子的元素，如在Si 、Ge中参加Al 、Ga、 In，或在Ⅲ－Ⅴ族化合物中参加Ⅱ族元素，这些掺入的杂 质将成为受主；
A－间隙式杂质原子：原子半径比较小
2.3.1 点缺陷
2.3.1 点缺陷
2.3.2 位错
汇报完毕！谢谢！
• Si中几种Ⅴ族施主电离能如下：
• Si中几种Ⅲ族受主电离能如下：
杂质基态的玻尔半径〔Bohr):
aB m0*shq22 s(m m0*)a0 0.52s(m m0*)
a0是氢原子基态的径 玻尔半
2.1.5 杂质的补偿作用
当同一块半导体中同时存在施主杂质和受主杂质时， 这种两种不同类型的杂质有互相抵偿的作用，称为杂 质补偿作用。
19
2.1.6 深能级杂质
深能级杂质的作用 1. ΔED，ΔEA 较大，杂质电离作用较弱，对载流子〔导电电 子和空穴〕浓度影响较小； 2. 对载流子的复合作用较大〔复合中心〕，降低非平衡载流 子的寿命。
2.2 III-V族化合物中的杂质能级
2.2.1 GaAs中的杂质
等电子杂质 (等电子陷阱〕
补偿后半导体中的净杂质浓度为有效杂质浓度，只 有有效的杂质浓度才能有效地提供载流子浓度。
空间角度的理解：施主周围有多余的价电子，受主 周围缺少价电子，施主多余的价电子正好填充受主周 围空缺的价键电子，使价键饱和，使系统能量降低， 稳定状态。
16
2.1.5 杂质的补偿作用 能带角度的理解：
n＝ N D － N AN D
• 在Si、Ge元素半导体和Ⅲ－Ⅴ族化合物半导体等最重要的 半导体材料中发现： 参加多一个价电子的元素，如在Si 、 Ge中参加P、As、Sb，或在Ⅲ－Ⅴ族化合物中参加Ⅵ族元素， 这些掺入的杂质将成为施主；
• 参加少一个价电子的元素，如在Si 、Ge中参加Al 、Ga、 In，或在Ⅲ－Ⅴ族化合物中参加Ⅱ族元素，这些掺入的杂 质将成为受主；
A－间隙式杂质原子：原子半径比较小
第二章-晶体缺陷
《材料科学基础》习题-第2章-晶体缺陷1．铜的空位生成能1.7×10-19J ，试计算1000℃时，1cm3铜所包含的空位数，铜的密度8.9g/cm3，相对原子质量63.5，玻尔兹曼常数K=1.38×10-23J/K 。
2．画图说明F-R 位错源位错增殖过程。
3. 研究晶体缺陷有何意义？4 点缺陷主要有几种？为何说点缺陷是热力学平衡的缺陷？5. 位错概念是在什么背景下提出的？其易动性是如何实现的？6. 试述位错的性质。
7. 试述柏氏矢量的意义。
8 与位错有关的三个力的表达式各是什么？简述其求解原理。
9. 柯氏气团是如何形成的？它对材料行为有何影响？10 晶体中的界面有何共性？它对材料行为有何影响？11. 在800℃时1010个原子中有一个原子具有足够能量可在固体内移动，而在900℃时910个原子中则只有一个原子，试求其激活能（J/原子）。
12. 若将一块铁加热至850℃，然后快速冷却到20℃。
试计算处理前后空位数应增加多少倍（设铁中形成一摩尔空位所需要的能量为104600J ）。
13. 简单回答下列各题。
1) 空间点阵与晶体点阵有何区别？2) 金属的3种常见晶体结构中，不能作为一种空间点阵的是哪种结构？3) 原子半径与晶体结构有关。
当晶体结构的配位数降低时原子半径如何变化？5) 计算位错运动受力的表达式为b f τ=，其中τ是指什么？6) 位错受力后运动方向处处垂直于位错线，在运动过程中是可变的，晶体作相对滑动的方向应是什么方向？7) 位错线上的割阶一般如何形成？8) 界面能最低的界面是什么界面？9) “小角度晶界都是由刃型位错排成墙而构成的”这种说法对吗？。
《材料科学与工程基础》顾宜 第二章 课后答案
第二章习题及答案2-1．阐述原子质量和原子量的区别。
2-2．简要阐述四个量子数分别对应何种电子状态。
2-3.元素周期表中的所有VIIA 族元素的核外电子排布有何共同点？（1）各电子层最多容纳电子数为2n 2.（2）最外层不超过8个电子；次外层不超过18个电子；倒数第三层不超过32个电子.（3）核外电子总是先排布在能量最低的电子层内，排满后再一次向外排布.（4）电子排布总是遵循能量最低原理，泡利不相容原理，洪特定则.2-4.按照能级写出N、O、Si、Fe、Cu、Br 原子的电子排布（用方框图表示）。
223224Si1s22s22p63s23p2Fe1s22s22p63s23p63d8Cu1s22s22p63s23p63d104s1Br1s22s22p63s23p63d104s24p52-5.按照能级写出Fe2+,Fe3+,Cu+,Ba2+,Br-,and S2-离子的电子排布。
（用方框图表示）。
同上题2-6.影响离子化合物和共价化合物配位数的因素有那些？中心离子类型、离子半径、配体大小、溶剂、配体多少、环境温度、PH、共价键数、原子的有效堆积。
2-7.将离子键、共价键和金属键按有方向性和无方向性分类，简单说明理由。
2-8.简要阐述离子键，共价键和金属键的区别。
2-9.阐述泡利不相容原理。
在原子中不能容纳运动状态完全相同的电子；同一个原子中,不可能有两个或两个以上的电子处在同一个状态；也可以说，不可能有两个或两个以上的电子具有完全相同的四个量子数。
2-10.判断以下元素的原子可能形成的共价键数目：锗，磷，锶和氯。
2-11.解释为什么共价键材料密度通常要小于离子键或金属键材料。
由于共价键具有严格的方向性和饱和性，一个特定原子的最邻近原子数是有限制的，并且只能在特定的方向进行键合。
所以共价键物质密度比金属键和离子键物质密度都要小.（共价键需按键长、键角要求堆垛，相对离子键、金属键较疏松）共价键的结合力较小，离子键结合力很大，形成的物质更致密。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
在面心立方晶体三种可能的间隙组态中，以对分组态能量最低，应 为平衡组态。
几个单体缺陷还可组成能量更低的缺陷集团，如空位对、三
空位、空位集团、点缺陷与杂质原子的组合（如大的替代式 原子与空位结合成对）。
2018/1/11
——————古一
————————
第三节
热平衡状态下的点缺陷浓度
热平衡空位的形成
2018/1/11
——————古一
————————
第二节
点缺陷的形成能
蒸发热越大，熔点越高，则空位形成能也越大。
2018/1/11
——————古一
————————
第二节
点缺陷的形成能
间隙原子的形成能：从表面台阶上取去一个原子挤入晶体的 间隙位置所需能量。间隙原子具有较大形成能，比空位大 3～4倍。
热平衡状态下的点缺陷浓度
热平衡状态下点缺陷的浓度
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
热力学平衡条件，在温度和体积不变的情况下，自由能最小的状 态是热力学最稳定的平衡状态。
自由能F U TS 设晶体中有N 个点阵位置并形成了n个空位，则原子和空位的排列方式有 因此它引起组态熵增加为 N! SC k ln N n !n ! 当N数很大时， lnN！＝NlnN-N 故 SC k[ N ln N ( N n) ln( N n) n ln n] 而晶体中与空位有关的自由能为： F=n(U f TS f ) kT [ N ln N ( N n) ln( N n) n ln n] 其中U f 是一个空位的形成能，S f 是形成一个空位时振动熵的增加。
2018/1/11
——————古一
————————
第一节
点缺陷的几何组态
间隙原子：在正常的点阵间隙位置挤进一个同类原子，就 形成一个间隙原子。（以面心立方为例）
体心组态：间隙原子处于面心立方体中最大间隙位置[ 1 2
1 1 2 2
]，它是被
六个面心原子构成的八面体所包围，间隙原子处于八面体的中心， 并将周围原子略微挤离其正常位置，所产生的畸变是球面对称的。
第二章 点缺陷
第一节
点缺陷：由于原子热运
点缺陷的几何组态
动造成的。包括空位、
间隙原子、杂质或溶质 原子（替代式或间隙式）
点缺陷的种类：
1－大的置换原子；2－肖脱基空位；3 －异类间隙原子；4－复合空位； 5－弗兰克耳空位；6－小的置换原子
2018/1/11 ——————古一 ————————
2018/1/11
————————
2018/1/11
——————古一
————————
第五节
点缺陷的移动
间隙原子移动机制：
2018/1/11
——————古一
————————
第五节
点缺陷的移动
点缺陷运动的特点：
不连续性。它靠能量涨落，当获得一定的能量跳跃到另一位置 后，失去了能量，需要再经过一定时间获得新的能量后才能再 跳跃；
故平衡空位浓度为：
由上式可得： 1）晶体中空位在热力学上是稳定的，一定温度T对应一平衡浓度C 2）C与T呈指数关系，温度升高，空位浓度增大 3）空位形成能大，空位浓度小 对间隙原子也可推出类似的关系式，但由于间隙原子的形成能一般比 空位大3～4倍，所以它的热平衡浓度要比空位小的多。
2018/1/11 ——————古一 ————————
在晶体内部原子排列并 不是完全规则的，在局 部一定尺寸范围内原子 排列不规则的现象称为 晶体缺陷，晶体缺陷在 材料组织控制（如扩散、 相变）和性能控制（如 材料强化）中具有重要 作用。就好象维纳斯 “无臂”之美更深入人 心 晶体缺陷赋予材料 丰富内容
2018/1/11 ——————古一 ————————
第一种方式：原子跳到表面、晶界、或与位错结合，这样形成的 空位称为肖脱基（Schottky）空位。 第二种方式：一个原子跳入间隙位置后形成一个间隙原子和一个 空位。通常把这样一对点缺陷（空位和间隙原子）称为弗兰克耳 （Frenkel）缺陷
2018/1/11
——————古一
————————
第三节
无规则性。点缺陷是在不停地做布朗运动，每次跳跃可以以相 等的几率向其最靠近的几个位置中的任何一个位置跳跃，而无 明显的方向性。
晶体中点缺陷的形成与消失是不断发生的，在一定的温度下， 有一定的点缺陷平衡浓度，动态平衡。
2018/1/11
——————古一
————————
2018/1/11
——————古一
2018/1/11
——————古一
————————
第二节
点缺陷的形成能
点缺陷的形成能：形成一个点缺陷引起内能的增加。 空位形成能：在晶体内取出一个原子放到晶体表面 上而又不改变晶体的表面能时，所需要的能量称为 空位的形成能。 理论上，空位形成能和晶体表面原子的蒸发热相 等，但考虑金属键的特征、空位周围原子的移动 等因素，精确的估计认为空位形成能只有蒸发热 的1/2~1/4。
2018/1/11
——————古一
————————
第一节
点缺陷的几何组态
对分组态：间隙原子沿[100]方向偏离一些，将点阵上的一个近邻原子挤 离于平衡位置，形成两个原子对分的间隙组态，所产生的畸变具有四方对 称性。 挤列组态：沿密排方向，（n+1）个原子占据了n个原子的位置。 哪种组态最为稳定，要对间隙原子的能量进行细致的计算之后才能确定
第四节
点缺陷对合金性能的影响
（1）结构变化：晶格畸变（如空位引起晶格收缩，间隙 原子引起晶格膨胀，置换原子可引起收缩或膨胀。）
（2）性能变化：
物理性能（如电阻率增大，密度减小。
力学性能（屈服强度提高。）
2018/1/11
——————古一
————————
第五节
点缺陷的移动
近代物理研究结果表明，晶体中的原子并不是在晶格节点上静止不 动的，而是以平衡位置为中心不停地做热振动，原子的这种热振动 具有起伏的性质，通过能量涨落产生点缺陷（空位和间隙原子）， 又是由于能量涨落使得这些缺陷在晶体中进行运动。 空位移动机制：
——————古一
————————
第一节
点缺陷的几何组态
空位：在晶体中的正常点阵位置上抽出一个原子， 就造成一个点阵空位。
经典的空位图像很简单，原子抽出后，周围原
子基本上保留在原有位置上，留下一个很明显 的空位。
松弛集团图像：如果周围原子朝向空位作较大
的松弛，或甚至崩塌到空位里面去，那么就形 成一种弥散的空位或是十几个原子构成的松弛 集团，类似于局部熔区。接近熔点的温度时才 出现。
2018/1/11 ——————古一 ————————
N! 种， N n !n !
第三节
热平衡状态下的点缺陷浓度
如前所述，平衡状态自由能为极小值，即：
F （ ） T 0 n ln
n
N n 由于N n,
U f TS f kT
U Sf f n n c Ae kT ，其中A e k 振动熵系数,1～10 N N n k为玻尔兹曼常数，约为8.62×10-5 ev/k或1.38×10-23 J/K
几个单体缺陷还可组成能量更低的缺陷集团，如空位对、三
空位、空位集团、点缺陷与杂质原子的组合（如大的替代式 原子与空位结合成对）。
2018/1/11
——————古一
————————
第三节
热平衡状态下的点缺陷浓度
热平衡空位的形成
2018/1/11
——————古一
————————
第二节
点缺陷的形成能
蒸发热越大，熔点越高，则空位形成能也越大。
2018/1/11
——————古一
————————
第二节
点缺陷的形成能
间隙原子的形成能：从表面台阶上取去一个原子挤入晶体的 间隙位置所需能量。间隙原子具有较大形成能，比空位大 3～4倍。
热平衡状态下的点缺陷浓度
热平衡状态下点缺陷的浓度
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
热力学平衡条件，在温度和体积不变的情况下，自由能最小的状 态是热力学最稳定的平衡状态。
自由能F U TS 设晶体中有N 个点阵位置并形成了n个空位，则原子和空位的排列方式有 因此它引起组态熵增加为 N! SC k ln N n !n ! 当N数很大时， lnN！＝NlnN-N 故 SC k[ N ln N ( N n) ln( N n) n ln n] 而晶体中与空位有关的自由能为： F=n(U f TS f ) kT [ N ln N ( N n) ln( N n) n ln n] 其中U f 是一个空位的形成能，S f 是形成一个空位时振动熵的增加。
2018/1/11
——————古一
————————
第一节
点缺陷的几何组态
间隙原子：在正常的点阵间隙位置挤进一个同类原子，就 形成一个间隙原子。（以面心立方为例）
体心组态：间隙原子处于面心立方体中最大间隙位置[ 1 2
1 1 2 2
]，它是被
六个面心原子构成的八面体所包围，间隙原子处于八面体的中心， 并将周围原子略微挤离其正常位置，所产生的畸变是球面对称的。
第二章 点缺陷
第一节
点缺陷：由于原子热运
点缺陷的几何组态
动造成的。包括空位、
间隙原子、杂质或溶质 原子（替代式或间隙式）
点缺陷的种类：
1－大的置换原子；2－肖脱基空位；3 －异类间隙原子；4－复合空位； 5－弗兰克耳空位；6－小的置换原子
2018/1/11 ——————古一 ————————
2018/1/11
————————
2018/1/11
——————古一
————————
第五节
点缺陷的移动
间隙原子移动机制：
2018/1/11
——————古一
————————
第五节
点缺陷的移动
点缺陷运动的特点：
不连续性。它靠能量涨落，当获得一定的能量跳跃到另一位置 后，失去了能量，需要再经过一定时间获得新的能量后才能再 跳跃；
故平衡空位浓度为：
由上式可得： 1）晶体中空位在热力学上是稳定的，一定温度T对应一平衡浓度C 2）C与T呈指数关系，温度升高，空位浓度增大 3）空位形成能大，空位浓度小 对间隙原子也可推出类似的关系式，但由于间隙原子的形成能一般比 空位大3～4倍，所以它的热平衡浓度要比空位小的多。
2018/1/11 ——————古一 ————————
在晶体内部原子排列并 不是完全规则的，在局 部一定尺寸范围内原子 排列不规则的现象称为 晶体缺陷，晶体缺陷在 材料组织控制（如扩散、 相变）和性能控制（如 材料强化）中具有重要 作用。就好象维纳斯 “无臂”之美更深入人 心 晶体缺陷赋予材料 丰富内容
2018/1/11 ——————古一 ————————
第一种方式：原子跳到表面、晶界、或与位错结合，这样形成的 空位称为肖脱基（Schottky）空位。 第二种方式：一个原子跳入间隙位置后形成一个间隙原子和一个 空位。通常把这样一对点缺陷（空位和间隙原子）称为弗兰克耳 （Frenkel）缺陷
2018/1/11
——————古一
————————
第三节
无规则性。点缺陷是在不停地做布朗运动，每次跳跃可以以相 等的几率向其最靠近的几个位置中的任何一个位置跳跃，而无 明显的方向性。
晶体中点缺陷的形成与消失是不断发生的，在一定的温度下， 有一定的点缺陷平衡浓度，动态平衡。
2018/1/11
——————古一
————————
2018/1/11
——————古一
2018/1/11
——————古一
————————
第二节
点缺陷的形成能
点缺陷的形成能：形成一个点缺陷引起内能的增加。 空位形成能：在晶体内取出一个原子放到晶体表面 上而又不改变晶体的表面能时，所需要的能量称为 空位的形成能。 理论上，空位形成能和晶体表面原子的蒸发热相 等，但考虑金属键的特征、空位周围原子的移动 等因素，精确的估计认为空位形成能只有蒸发热 的1/2~1/4。
2018/1/11
——————古一
————————
第一节
点缺陷的几何组态
对分组态：间隙原子沿[100]方向偏离一些，将点阵上的一个近邻原子挤 离于平衡位置，形成两个原子对分的间隙组态，所产生的畸变具有四方对 称性。 挤列组态：沿密排方向，（n+1）个原子占据了n个原子的位置。 哪种组态最为稳定，要对间隙原子的能量进行细致的计算之后才能确定
第四节
点缺陷对合金性能的影响
（1）结构变化：晶格畸变（如空位引起晶格收缩，间隙 原子引起晶格膨胀，置换原子可引起收缩或膨胀。）
（2）性能变化：
物理性能（如电阻率增大，密度减小。
力学性能（屈服强度提高。）
2018/1/11
——————古一
————————
第五节
点缺陷的移动
近代物理研究结果表明，晶体中的原子并不是在晶格节点上静止不 动的，而是以平衡位置为中心不停地做热振动，原子的这种热振动 具有起伏的性质，通过能量涨落产生点缺陷（空位和间隙原子）， 又是由于能量涨落使得这些缺陷在晶体中进行运动。 空位移动机制：
——————古一
————————
第一节
点缺陷的几何组态
空位：在晶体中的正常点阵位置上抽出一个原子， 就造成一个点阵空位。
经典的空位图像很简单，原子抽出后，周围原
子基本上保留在原有位置上，留下一个很明显 的空位。
松弛集团图像：如果周围原子朝向空位作较大
的松弛，或甚至崩塌到空位里面去，那么就形 成一种弥散的空位或是十几个原子构成的松弛 集团，类似于局部熔区。接近熔点的温度时才 出现。
2018/1/11 ——————古一 ————————
N! 种， N n !n !
第三节
热平衡状态下的点缺陷浓度
如前所述，平衡状态自由能为极小值，即：
F （ ） T 0 n ln
n
N n 由于N n,
U f TS f kT
U Sf f n n c Ae kT ，其中A e k 振动熵系数,1～10 N N n k为玻尔兹曼常数，约为8.62×10-5 ev/k或1.38×10-23 J/K