晶体结构缺陷全面总结(无机非方向)
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。
晶体结构缺陷的类型
二 按缺陷产生旳原因分类
晶体缺陷
辐照缺陷 杂质缺陷
电荷缺陷 热缺陷 非化学计量缺陷
1. 热缺陷
定义:热缺陷亦称为本征缺陷，是指由热起伏旳原因所产生 旳空位或间隙质点（原子或离子）。
类型:弗仑克尔缺陷（Frenkel defect）和肖特基缺陷 （Schottky defect）
T E 热起伏(涨落) 原子脱离其平衡位置
面缺陷旳取向及分布与材料旳断裂韧性有关。
面缺陷－晶界
晶界示意图
亚晶界示意图
晶界: 晶界是两相邻晶粒间旳过渡界面。因为相邻晶粒 间彼此位向各不相同，故晶界处旳原子排列与晶内不同， 它们因同步受到相邻两侧晶粒不同位向旳综合影响，而做 无规则排列或近似于两者取向旳折衷位置旳排列，这就形 成了晶体中旳主要旳面缺陷。
-"extra" atoms positioned between atomic sites.
distortion of planes
selfinterstitiallids
Two outcomes if impurity (B) added to host (A):
• Solid solution of B in A (i.e., random dist. of point defects)
OR
Substitutional alloy (e.g., Cu in Ni)
Interstitial alloy (e.g., C in Fe)
Impurities in Ceramics
本章主要内容：
§2.1 晶体构造缺陷旳类型 §2. 2 点缺陷 §2.3 线缺陷 §2.4 面缺陷 §2.5 固溶体 §2.6 非化学计量化合物
晶体的结构缺陷精简
形成原因
点缺陷
由于晶体中原子或分子的缺失、多余 或错位，导致局部的原子排列异常。 常见的点缺陷包括空位、间隙原子和 替位式杂质等。
线缺陷
面缺陷
晶体中原子或分子的平面排列异常， 如晶界、相界和表面等。
晶体中由于原子或分子的排列不连续 而形成的线性异常区域，如位错。
对晶体性质的影响
物理性质
晶体结构缺陷可以影响晶体的热 学、光学、电学和磁学等物理性 质。例如，金属导体的电阻率会
03
线缺陷
位错概念
位错
晶体中某处有一列或若干列原子 发生了有规律的错排或缺失，从 而使晶体结构发生畸变，这种畸 变可以延伸到相当远的区域，称
为位错。
位错线
位错延伸的方向称为位错线，其 运动方向与位错线垂直。
柏氏矢量
描述位错特征的矢量，其大小表 示位错的大小，方向表示位错线
的方向。
位错类型
刃型位错
肖脱基缺陷
总结词
肖脱基缺陷是由于晶体表面上的原子 迁移到内部而形成的表面空位。
详细描述
在晶体表面，原子由于热运动或其他 原因迁移到晶体内部，留下表面空位 。这种缺陷通常在高温或高真空条件 下形成。
间隙原子与空位
总结词
间隙原子和空位缺陷是由于原子或分子的位置偏离正常格点 而形成的。
详细描述
间隙原子是指原子进入晶格间隙位置，而空位则是在正常格 点位置上形成的空位。这两种缺陷对晶体的物理和化学性质 产生影响。
表面缺陷在半导体器件、光电 子器件、催化等领域有重要应 用，例如表面改性、表面增强 拉曼散射等。
05
体缺陷
沉淀与固溶体
沉淀
当晶体内部某些组分由于过饱和而析出，形成与基体不同的相，即为沉淀。
晶体缺陷简述
a 空位 c 替位杂质
b 填隙基质原子 d 填隙杂质
2、线缺陷（一维缺陷）
指在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、 规则性排列所产生的缺陷，即缺陷尺
寸在一维方向较长，另外二维方向上很短。如各种位错（ dislocation）
线缺陷有下面两种情况：
刃型位错（Edge dislocation）
螺型位错（Screw dislocation）
则
性排列而产生的缺陷， 即缺陷尺寸在二维方向上延伸，在第三维方向上很小。如
晶界、表面、堆积层错、镶嵌结构等。面缺陷可分为以下几个类型：
平移界面
孪晶界面
晶粒间界
界面两侧晶体以一特征的非
第二类面缺陷称为孪晶界面，
第三类面缺陷为晶粒间界，
点阵平移相联系者称平移界
它所分隔开的两部分晶体间以
它们是以任意取向关系相
4、体缺陷
所谓体缺陷，是指在晶体中三维尺度上出现的周期性排列的紊乱，也就是在较 大的尺寸范围内的晶格排列的不规则。这些缺陷的区域基本上可以和晶体或者晶粒的尺寸 相比拟，属于宏观的缺陷，较大的体缺陷可以用肉眼就能够清晰观察。
体缺陷有很多种类，常见的有包裹体、气泡、空洞、微沉淀等。这些缺陷区域在 宏观上与晶体其他位置的晶格结构、晶格常数、材料密度、化学成分以及物理 性质有所 不同，好像是在整个晶体中的独立王国。比如， 空洞是在晶体中包含的较大的空隙区， 微沉淀是指在晶体中出现的分离相，是由某些超浓度的杂质所形成的，包裹体则是在晶体 中包裹了其他状态的成分，多为生长 时原来的液体。
晶体中某一列或若干列原子发 生有规律的错排的现象
一个晶体的某一部分相对于其余部分发生滑 移，原子平面沿着一根轴线盘旋上升，每绕
轴线一周，原子面上升一个晶面间距
材料化学-晶体结构缺陷详解
V (V V ) VNa
Cl Na Cl
2 书写点缺陷反应式的规则
（1）位置关系（溶剂）： 对于计量化合物（如NaCl、Al2O3），在缺陷反应式中 作为溶剂的晶体所提供的位置比例应保持不变，但每类位置 总数可以改变。
2ClCl CaCl2 ( s) Ca VK
（3）溶质原子（杂质原子）：
LM 表示溶质L占据了M的位置。如：CaNa SX 表示S溶质占据了X位置。
（4）自由电子及电子空穴：
有些情况下，价电子并不一定属于某个特定位置的原子，在 光、电、热的作用下可以在晶体中运动，这样电子和空穴称 为自由电子（符号e/ ）和电子空穴（符号h. )。
(5)带电缺陷 不同价离子之间取代如Ca2+取代Na+——Ca · Na Ca2+取代Zr4+——Ca”Zr 把离子化合物看作完全由离子构成（这里不考虑化学 键性质），则在 NaCl晶体中，如果取走一个Na+与取走Na 原子相比较，相当于少取走一个电子e ， 晶格中多了一个e, 因此VNa 必然和这个e/相联系，形成带电的空位——
Schottky缺陷的产生
2 组成缺陷
概念——杂质原子进入晶体，或者外界气氛等因素引起基质产生空位的缺陷。 原子进入晶体的数量一般小于0.1%。 种类——间隙杂质 置换杂质空位
特点——杂质缺陷的浓度与温度无关，只决定于溶解度。
存在原因——本身存在，有目的加入(改善晶体的某种性能)
3 电荷缺陷
晶体内原子或离子的外层电子由于受到外界激发，有少部 分电子脱离原子核对它束缚，而成为自由电子，对应留下空穴。
VCl NaCl VNa
形成——正常格点的原子由于热运动跃迁到晶体表面， 在晶体内正常格点留下空位。 从形成缺陷的能量来分析—— Schttky缺陷形成的能量小Frankel 缺陷形成的能量 因此对于大多数晶体来说，Schttky 缺陷是主要的。 热缺陷浓度表示 ：
晶体结构与缺陷讲解
物之间的固溶体，即不等价置换是发生 在同一种离子中的高价态与低价态之间 的相互置换；（如，四氧化三铁） • （3）缺陷的浓度与温度(wēndù)无关
精品资料
点缺陷对材料性能的影响：
点缺陷的存在使晶体体积膨胀，密度减小。 点缺陷引起晶格畸变，使材料内部的能量提高，系统不稳定， 容易发生晶型转变等。 点缺陷引起电阻的增加，这是由于晶体中存在点缺陷时，对传 导电子产生了附加的电子散射，使电阻增大。 空位对金属的许多过程有着ห้องสมุดไป่ตู้响，特别是对高温下进行的过程 起着重要的作用。 金属的扩散、高温塑性变形的断裂、退火、沉淀、表面化学热 处理、表面氧化、烧结等过程都与空位的存在和运动有着密切 的联系。 过饱和点缺陷（如淬火空位、辐照(fú zhào)缺陷）还提高了 金属的屈服强度。 在一般情形下，点缺陷对金属力学性能的影响较小，而对材料 的物理性能的影响较大
0.1%），进入晶体后无论位于何 处，均因杂质质点和原有的质点 性质不同，故它不仅破坏了质点 有规则的排列，而且在杂质质点 周围的周期势场引起改变，因此 形成—种缺陷。
溶剂：原晶体 溶质：溶质
精品资料
• 晶体中杂质含量在未超过其固溶度时，杂质 缺陷的浓度与温度无关；这点是与热缺陷是 不同的。
• 应用： • 在某些情况(qíngkuàng)下，晶体中可以溶
入较大量的杂质，如制造固体氧化物燃料电 池电介质材料，使用8－10％(mol)Y2O3溶 入ZrO2中，Y3＋置换Zr4＋，形成大量氧 空位缺陷，可传导氧离子，起到离子导电的 作用。
•
精品资料
• 杂质缺陷的小结：
• 概念——杂质原子进入晶体而产生的缺陷。原子 进入晶体的数量一般(yībān)小于0.1%。
无机材料科学基础 第三章晶体结构缺陷
实际晶体温度总是高于绝对零度(热缺陷) 实际晶体总是有限大小(表面/界面缺陷) 实际晶体总是含有或多或少的杂质(外来缺陷)
缺陷就是对于理想晶体结构的偏离
第三章晶体结构缺陷一
3、缺陷对于晶体的影响
影响晶体的电学以及力学性能 影响晶体内部质点的扩散 影响晶体的烧结和化学反应活性 形成非化学计量物质,改变材料的物理化学性能
杂质原子(掺杂原子)其量一般小于0.1%，进入主晶格后，因杂 质原子和原有的原子性质不伺，故它不仅破坏了原子有规则的 排列，而且在杂质原子周围的周期势场引起改变，因此形成一 种缺陷。
特点： A 杂质原子又可分为间隙杂质原子及置换杂质原子两种。前者
是杂质原子进入固有原子点阵的间隙中；后者是杂质原子替代 了固有原子。杂质原子在晶格中随机分布，不形成特定的结构。 B 晶体中杂质原子含量在未超过其固溶度时，杂质缺陷的浓度 与温度无关，这与热缺陷是不同的。
点缺陷的名称→
□←点缺陷所带的 有效电荷
× 中性 ● 正电荷
' 负电荷
○←点缺陷在晶体中占的位置
第三章晶体结构缺陷二
（ X原1）子空空位位：。用VM和Vx分别表示M原子空位和
（2）填隙原子：用Mi和Xi表示。 （3）错放位置：Mx表示M原子错放在X位置。 （4）溶质原子： LM表示L溶质处在M位置。 （5）自由电子及电子空穴：有些电子不一定
(1)弗伦克尔缺陷： 弗伦克尔缺陷可以看作是正常格点 离子和间隙位置反应生成间隙离子和空位的过程。
正常格点离子+未被占据的间隙位置〓间隙离子+空位
第三章晶体结构缺陷二
•例如在AgBr中，弗伦克尔缺陷的生成可写成：AgAg+Vi=Agi´+VAg · •由质量作用定律，
晶体结构缺陷
4）溶质原子：LM表达L溶质处于M位置，SX表达S溶质处 于X位置。 例：Ca取代了MgO晶格中旳Mg写作CaMg， Ca若填隙在MgO晶格中写作Cai。
5）自由电子及电子空穴：自由电子用符号e′表达。电子空 穴用符号h·表达。它们都不属于某一种特定旳原子全部， 也不固定在某个特定旳原子位置。
VO••
3OO
1 2
O2
例2：CaCl2溶解在KCl中：
产生K空位 ，合 理
CaCl2 KCl CaK• VK' 2ClCl
CaCl2 KCl CaK• Cli' ClCl
Cl-进入填隙位， 不合理
CaCl2 KCl Cai•• 2VK' 2ClCl
Ca进入填 隙位，不合
理
例3：MgO溶解到Al2O3晶格内形成有限置换型固溶体：
荷。为了保持电中性，会产生阴离子空位或间隙阳离子； 2、高价阳离子占据低价阳离子位置时，该位置带有正电
荷，为了保持电中性，会产生阳离子空位或间隙阴离子。
举例：
例1：TiO2在还原气氛下失去部分氧，生成TiO2-x旳反应能 够写为：
2TiO2
2TiT' i
VO••
3OO
1 2
O2
2Ti
4OO
2TiT' i
克罗格-明克符号系统
1、 缺陷符号旳表达措施 （以MX离子晶体为例） 1）空位：VM和VX分别表达M原子空位和X原子空位，V表达缺陷种类，
下标M、X表达原子空位所在位置。
VM〞=VM +2eˊ VX‥ = VX +2 h·
2）填隙原子：Mi和Xi分别表达M及X原子 处于晶格间隙位置 3）错放位置：MX表达M原子被错放在X位置上， 这种缺陷较少。
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晶体结构缺陷全面总结（无机非方向）
晶体结构缺陷全面总结
由于缺陷的存在，使晶体表现出各种各样的性质，使材料制备过程中的动力学过程得以进行，使材料加工、使用过程中的各种性能得以有效控制和改变，使材料性能的改善和复合材料的制备得以实现。
一、按缺陷的几何形态分类：
二、按缺陷产生的原因分类：
三、缺陷反应方程式的书写
1.对于杂质缺陷而言，缺陷反应方程式的一般式为：
2.书写时应遵循的原则：
（1）位置平衡：基质晶体中正负离子格点数之比保持不变，并
非原子个数比保持不变。
（2）质量平衡：缺陷反应方程式两边的质量应该相等。
缺陷符
号的右下标表示缺陷所在的位置，对质量平衡无影响（即空位没有质量）。
（3）电荷平衡：缺陷反应方程式两边的有效电荷数必须相等。
3.经典例题：
写出C a Cl2加入KC l中的缺陷反应方程式。
4.基本规律
（1）低价正离子占据高价正离子位置时，该位置带有负电荷。
为了保持电中性，会产生负离子空位或间隙正离子。
（2）高价正离子占据低价正离子位置时，该位置带有正电荷。
为了保持电中性，会产生正离子空位或间隙负离子。
四、固溶体
1.定义：将外来组元引入晶体结构，占据基质晶体质点位置或间
隙位置的一部分，仍保持一个晶相，这种晶体称为固溶体。
2.形成置换型固溶体的条件：
（1）原子或离子尺寸的影响：从晶体稳定的观点看，相互替代的原子或离子尺寸愈相近，则固溶体愈稳定。
（2）晶体结构类型的影响：若溶质与溶剂晶体结构类型相同，这也是形成连续固溶体的必要条件，而不是充分必要条件。
（3）离子类型和键性：离子类型是指离子外层的电子构型，相
互置换的离子类型相同，容易形成固溶体。
化学键性质相近，即取代前后离子周围离子间键性相近，容易形成固溶体。
（4）电价因素形成固溶体时，离子间可以等价置换也可以不等
价置换。
为了保持形成固溶体的电中性，不等价置换不易形成连续固溶体。
3.形成间隙型固溶体的条件：
（1）杂质质点的大小：添加的原子愈小，易形成固溶体。
（2）晶体结构：基质晶体中空隙愈大，结构愈疏松，易形成固溶体。
（3）电价因素：外来杂质原子进入间隙时，必然引起晶体结构中电价的不平衡，与置换型固溶体一样，也必须保持电价的平衡。
4.固溶体形成后对晶体性质的影响：
（1）稳定晶格，阻止晶型转变的发生
（2）活化晶格：形成固溶体后，晶格结构有一定畸变，处于高能量的活化状态，有利于进行化学反应。
（3）固溶强化：固溶体的强度与硬度往往高于各组元，而塑性则较低。
5.固溶体理论密度的计算：
理论密度
式中W—晶胞中所有质点的质量；
V—通过X射线衍射测得的晶胞常数可得到，如立方晶系V=。
计算方法：
（1）先写出可能的缺陷反应方程式；
（2）根据缺陷反应方程式写出固溶体可能的化学式；
（3）由化学式可知晶胞中有几种质点，计算出晶胞中i质点的质量。
晶胞中i质点的质量：
晶胞中i质点的位置数由基质的晶体结构确定，i质点实际所占分数由固溶体的化学式决定。
据此，计算出晶胞质量
通过计算出的固溶体理论密度，在与实验测得的密度比较，哪个最符合实验值则属于这种固溶体类型。
6.例题：
以C a O加入到Z r O2中为例，若固溶体的摩尔组成为0.15C a O 0.85Z r O2，将其写成原子比形式为Ca0.15Z r0.85O1.85。
置换式固溶
体的化学式为，根据固溶体中各元素原子数目对应成比例即可求出固溶体化学式中待定参数的值。
（1）对于置换式固溶体有
置换型固溶体的缺陷反应方程式为：
x=0.151-x=0.852-x=1.85
则可得出x=0.15，所以，置换式固溶体化学式为C a
0.15Z r
0.85
O1.85。
又因为Zr O2属于萤石结构，晶胞分子数Z=4，晶胞中有、、三种质点。
晶胞质量
X射线衍射分析晶胞常数a=0.5131nm，晶胞体积V=a3=135.1×10-24c m3，
（2）对于间隙式固溶体：
间隙型固溶体的缺陷反应方程式为：
其化学式为，与已知组成C a
0.15Z r
0.85
O1.85相比，O2-不同，需经
过如下恒等变形来确定待定参数之值。
然后根据固溶体中各元素原子数目对应成比例建立关系：
由此可得y=0.15/1.85，所以间隙式固溶体化学式为
C a
0.3/1.85Z r
1.7
/
1.85
O2。
晶胞质量
实际测量密度=5.477g/cm3，与相近，由此可判断生成的是置换型固溶体。
五、非化学计量化合物
1.非化学计量化合物的特点：
（1）非化学计量化合物的产生及其缺陷浓度与气氛性质、分压大小有关，这有别于其他缺陷；
（2）这种化合物可以看作是高价化合物与低价化合物的固溶体，即不等价置换是发生在同一种离子中的高价态与低价态间的相互置换；
（3）缺陷浓度与温度有关，这点可以从平衡常数看出；
2.金属离子过剩（n型）导致的非化学计量缺陷：
（1）由于负离子缺位，使金属离子过剩：
T i O2失氧变成T i O2-x；其缺陷反应方程式为：
（2）由于间隙正离子，使金属离子过剩：
O。
其Z n O在锌蒸汽中加热，颜色会逐渐加深，形成了缺陷Zn
1+x
缺陷反应方程式为：
3.负离子过剩（p型）导致的非化学计量缺陷：
（1）由于间隙负离子，使负离子过剩：
目前只发现U O2+x具有这样的缺陷，可以看作U2O8在U O2中的固溶体其缺陷反应方程式为：
（2）由于正离子缺位，使负离子过剩：
F e O由于F e2+缺位产生了F e
O的缺陷，从化学观点看，可以看
1-x
O3在F e O中的固溶体，其缺陷反应方程式为：
作Fe
2。