晶体缺陷总结
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。
常见的晶体缺陷
常见的晶体缺陷
晶体是由原子或分子按照一定规律排列组成的固体物质，而晶体缺陷是指在晶体结构中出现的缺陷或不完美的区域。
晶体缺陷可以是自然形成的，也可以是在制备或处理过程中产生的。
常见的晶体缺陷有以下几种：
1. 位错：指晶体中原子或分子的错位或扭曲现象，是一种线性缺陷。
位错可以分为边缘位错和螺旋位错两种，它们的存在会导致晶体的弹性性质发生变化。
2. 点缺陷：指晶体中某些原子或分子的缺失或替代，是一种点状缺陷。
点缺陷包括空位、附加原子、缺失原子和间隙原子等。
3. 晶界：指晶体中不同晶粒之间的交界面。
由于晶界的存在，晶体中的原子排列方式和性质会发生变化，对材料的力学性能和电学性能等都有很大影响。
4. 色心：指晶体中某些原子或分子的缺失或替代，导致能量带结构的改变。
颜色的形成就是由于色心的存在导致。
5. 位隙：指晶体结构中一些原子或分子的位置被其他原子或分子占据，从而形成的空隙。
位隙也会影响晶体的物理性质。
以上就是常见的晶体缺陷，它们的存在会对晶体的性质和应用产生影响。
在材料科学和工程领域中，对晶体缺陷的研究和控制具有重要的意义。
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第三章 晶体缺陷1汇总
第三章晶体缺陷第一节点缺陷引言●完整晶体：原子规则地存在于应在的位置上。
●晶体结构缺陷：实际晶体中偏离理想结构的区域。
晶体缺陷分类：（按几何特征分）●1、点缺陷（零维缺陷）（Point defect）●在各个方向上尺寸都很小的缺陷。
如：空位、间隙原子、溶质原子等。
●2、线缺陷（一维缺陷）（Line defects）●在一个方向上尺寸较大，另两个方向上尺寸较小。
如：位错。
●3、面缺陷（二维缺陷）（Surface defects）●在两个方向上尺寸较大，在另一个方向上尺寸较小。
如：晶体表面、晶界、相界、孪晶界等。
●4、体缺陷（三维缺陷）（Body defects）●在任意方向上尺寸较大。
如：沉淀相、空洞、气泡等●研究缺陷的产生、运动、交互作用及转化，具有重要的理论和实际意义。
第一节点缺陷一、晶体中点缺陷的结构及形成二、点缺陷的平衡浓度三、点缺陷的移动四、点缺陷对金属性能的影响1、点缺陷的形成2、点缺陷的分类（离位原子的去处）肖脱基(Schottky)缺陷——原子迁移到表面——仅形成空位弗兰克(Franke)缺陷——原子迁移到间隙中—形成空位-间隙对杂质或溶质原子——间隙式（小原子）或置换式（大原子）迁移其它空位中，使空位发生移位，不增加空位数目。
3、点缺陷的弹性畸变和能量●点缺陷导致一定范围内的弹性畸变和能量增加4、点缺陷与温度的关系●空位和间隙原子的形成与温度密切相关●随温度升高，点缺陷数目增加，称为热缺陷。
5、点缺陷的产生①原因：热运动②工艺：高温淬火、冷变形加工、高能粒子轰击也可产生点缺陷。
(点缺陷并非都通过原子的热振动产生)。
辐照对于材料性能所引起的一些特殊效应●电离●蜕变●离位（金属中最主要的辐照效应）二、点缺陷的平衡浓度●点缺陷形成对晶体的影响：●(1)点阵畸变，晶体内能增加，晶体不稳定；●(2)原子排列混乱程度增加，改变周围原子振动频率，晶体熵增加，晶体稳定。
●由于存在这两个互为矛盾的因素，所以，晶体中的点缺陷在一定温度下有一定的平衡数目，这个平衡浓度可以借热力学求得热力学平衡●当晶体中空位处于系统热力学平衡状态时，T 温度下系统的自由能F为：F=U–TS●式中：●U为内能；●S为总熵，包括组态熵S c和振动熵S f。
晶体缺陷类型
晶体缺陷类型晶体缺陷是指晶体中存在的原子或离子排列不规则或异常的现象。
晶体缺陷可以分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种类型。
一、点缺陷点缺陷是晶体中原子或离子位置的局部不规则，主要包括空位、间隙原子和杂质原子。
1. 空位空位是指晶体中原子或离子在其晶体格点上的位置空缺。
晶体中的空位可以通过热处理、辐射或化学反应形成。
空位的存在会降低晶体的密度和电子迁移率，影响材料的性能。
2. 间隙原子间隙原子是指晶体中原子或离子占据晶体格点之间的空隙位置。
间隙原子的存在会导致晶体的畸变和疏松，影响材料的机械性能和导电性能。
3. 杂质原子杂质原子是指晶体中非本原子或离子替代晶体中的原子或离子。
杂质原子的存在会改变晶体的导电性、光学性质和热稳定性。
常见的杂质原子有掺杂剂、杂质原子和缺陷聚集体。
二、线缺陷线缺陷是晶体中原子或离子排列沿着一条线或曲线出现的不规则现象，主要包括位错和螺旋线缺陷。
1. 位错位错是晶体中原子或离子排列的一种不规则现象，可以看作是晶体中某一面上原子排列与理想晶体的对应面上的原子排列不匹配。
位错的存在会导致晶体的畸变和塑性变形，影响材料的力学性能。
2. 螺旋线缺陷螺旋线缺陷是晶体中原子或离子排列呈螺旋状的一种不规则现象。
螺旋线缺陷的存在会导致晶体的扭曲和磁性变化，影响材料的磁学性能。
三、面缺陷面缺陷是晶体中原子或离子排列在一定平面上不规则的现象，主要包括晶界和堆垛层错。
1. 晶界晶界是晶体中两个晶粒之间的交界面，是晶体中最常见的面缺陷。
晶界的存在会影响晶体的力学性能、导电性能和晶体的稳定性。
2. 堆垛层错堆垛层错是晶体中原子或离子排列在某一平面上的堆垛出现错误的现象。
堆垛层错的存在会导致晶体的畸变和位错密度增加，影响材料的机械性能和热稳定性。
总结：晶体缺陷是晶体中存在的原子或离子排列不规则或异常的现象。
根据缺陷的不同类型，晶体缺陷可以分为点缺陷、线缺陷和面缺陷。
点缺陷主要包括空位、间隙原子和杂质原子，线缺陷主要包括位错和螺旋线缺陷，面缺陷主要包括晶界和堆垛层错。
晶体缺陷
一、概述1、晶体缺陷：晶体中原子（离子、分子）排列的不规则性及不完整性。
种类：点缺陷、线缺陷、面缺陷。
1) 由上图可得随着缺陷数目的增加，金属的强度下降。
原因是缺陷破坏了警惕的完整性，降低了原子间结合力，从宏观上看，即随缺陷数目增加，强度下降。
2) 随着缺陷数目的增加，金属的强度增加。
原因是晶体缺陷相互作用（点缺陷钉扎位错、位错交割缠结等），使位错运动的阻力增加，强度增加。
3) 由此可见，强化金属的方向有两个：一是制备无缺陷的理想晶体，其强度最高，但实际上很难；另一种是制备缺陷数目多的晶体，例如：纳米晶体，非晶态晶体等。
二、点缺陷3、点缺陷：缺陷尺寸在三维方向上都很小且与原子尺寸相当的缺陷（或者在结点上或邻近的微观区域内偏离晶体结构正常排列的一种缺陷），称为点缺陷或零维缺陷。
分类：空位、间隙原子、杂质原子、溶质原子。
4、肖特基空位：原子迁移到晶体表面或内表面正常结点位置使晶体内形成的空位。
5、弗仑克尔空位：原子离开平衡位置挤入点阵间隙形成数目相等的空位和间隙原子，该空位叫做弗仑克尔空位。
6、空位形成能EV：在晶体中取出一个原子放在晶体表面上（不改变晶体表面积和表面能）所需的能量。
间隙原子形成能远大于空位形成能，所以间隙原子浓度远小于空位浓度。
7、点缺陷为热平衡缺陷，淬火、冷变形加工、高能粒子辐照可得到过饱和点缺陷。
8、复合：间隙原子和空位相遇，间隙原子占据空位导致两者同时消失，此过程成为复合。
9、点缺陷对性能的影响：点缺陷使得金属的电阻增加，体积膨胀，密度减小；使离子晶体的导电性改善。
过饱和点缺陷，如淬火空位、辐照缺陷，还可以提高金属的屈服强度。
三、线缺陷10、线缺陷：线缺陷在两个方向上尺寸很小，另外一个方向上延伸较长，也称为一维缺陷。
主要为各类位错。
11、位错：位错是晶体原子排列的一种特殊组态；位错是晶体的一部分沿一定晶面与晶向发生某种有规律的错排现象；位错是已滑移区和未滑移区的分界线；位错是伯氏矢量不为零的晶体缺陷。
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，
固体物理 第四章 晶体中的缺陷
实际 理论
位错滑移
原因：存在于晶体内部的位错极大地降低了产生滑 移所需的临界应力. 一部分原子先运动 其它原子相继运动
（形成位错）
晶体沿滑移面的整体滑移
二、刃位错(棱位错)的滑移
位错线附近原子结构已有明显畸变，使原子处于不稳 定状态，施加较小的切变力 ，畸变后的原子将在滑 τ 移面上平行于切变力方向移动；当位错线移出，在晶 体表面形成一个原子台阶。
3、堆积层错
就是指正常堆垛顺序中引入不正常顺序堆 垛的原子面而产生的一类面缺陷。
抽出型层错
插入型层错
3）杂质缺陷
由外加杂质的引入所产生的缺陷，亦称为组成缺陷。 杂质缺陷的浓度与温度无关。 为了有目的地改善器件性能，人为地引入杂质原子。 例如： 硅半导体中：
掺入一个硼原子 105 个硅原子 电导率增加 103倍
红宝石激光器中：
刚玉晶体 Al2O3 形成发光中心 铬离子 Cr
4) 由于形成点缺陷需向晶体提供附加的能量，因而引起附加 比热容。
5) 点缺陷还影响其它物理性质：如扩散系数、内耗、介电常 数等。
§4.2 空位、填隙原子的运动和统计计算 一、空位、填隙原子的运动 空位和填隙原子的跳跃依靠热涨落，与温度紧密相关。 以填隙原子为例说明。 势 能 势能ε约为几个eV
掺入微量
3、点缺陷对材料性能的一般影响
原因：无论哪种点缺陷的存在，都会使其附近的原子稍微 偏离原结点位置才能平衡，即造成小区域的晶格畸变。
效果：
1) 改变材料的电阻 电阻来源于离子对传导电子的散射。在完 整晶体中，电子基本上是在均匀电场中运动，而在有缺陷 的晶体中，在缺陷区点阵的周期性被破坏，电场急剧变化， 因而对电子产生强烈散射，导致晶体的电阻率增大。 2) 加快原子的扩散迁移 空位可作为原子运动的周转站。 3) 形成其他晶体缺陷 过饱和的空位可集中形成内部的空洞，集 中一片的塌陷形成位错。
晶体的缺点和不足
晶体的缺点和不足
晶体是由原子、分子或离子按照一定的周期性在空间排列形成的固体物质，具有以下缺点和不足：
1. 晶体生长缓慢：晶体的生长通常需要较长的时间，尤其是对于大尺寸、高质量的晶体，生长过程可能非常耗时。
2. 晶体缺陷：在晶体生长过程中，可能会引入各种缺陷，如点缺陷、线缺陷、面缺陷等。
这些缺陷可能会影响晶体的物理、化学和电子性质。
3. 晶体的各向异性：晶体在不同方向上的物理性质可能会有所不同，这被称为晶体的各向异性。
这可能会导致在某些应用中需要对晶体的取向进行控制，增加了制备的难度。
4. 晶体的脆性：大多数晶体材料相对较脆，容易在受到外力作用时发生断裂或破裂。
这限制了它们在需要一定柔韧性或抗冲击性的应用中的使用。
5. 有限的晶体结构：晶体的周期性结构限制了它们在某些方面的性能。
例如，晶体的能带结构决定了它们的电子传输性质，可能无法满足某些特定应用的要求。
需要注意的是，不同类型的晶体可能具有不同的特点和应用领域。
对于特定的应用，人们可以选择合适的晶体材料或通过晶体工程等方法来克服其缺点和不足。
此外，随着科学技术的发展，人们也在不断探索和研究新的晶体材料和制备方法，以满足各种应用需求。
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二、点缺陷的形成
弗仑克耳缺陷:原子离开平衡位置进入间隙,形成等量的空位 和间隙原子。 肖特基缺陷：只形成空位不形成间隙原子。
金属: 离子晶体： 1 负离子不能到间隙 2 局部电中性要求
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(1) 淬火法
将晶体加热到高温,形成较高的空位浓度,然后由高 温快速冷却,使空位在冷却过程中来不及消失,就得到 包含有过剩空位的晶体,从而形成非平衡空位浓度.
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• 电阻率与绝对温度之间关系可用下式表 示:ρ=A+BT+CT2+Dexp（-Q/kT） 式中A、B、C及D为系数,前三项为一 般热振动所引起的电阻率增加，第四项 为空位引起的附加电阻率。 即Δρ=Dexp(-Q/kT) 也可以写成 lnΔρ=lnD-Q/kT
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lnΔρ 与1/T的关系曲线如下:
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晶体缺陷按范围分类:
1. 点缺陷 在三维空间各方向上尺寸都很小,在原子尺 寸大小的晶体缺陷。
2. 线缺陷 在三维空间的一个方向上的尺寸很大(晶粒 数量级)，另外两个方向上的尺寸很小(原子尺寸大 小)的晶体缺陷。其具体形式就是晶体中的位错 Dislocation
3. 面缺陷 在三维空间的两个方向上的尺寸很大(晶粒 数量级)，另外一个方向上的尺寸很小(原子尺寸大 小)的晶体缺陷。
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(3) 高能粒子辐照法
晶体在高能粒子(高速中子、重粒子、电子等) 的辐照下,其原子受到碰撞.原子受到碰撞后,有可 能形成弗仑克耳空位和间隙原子.
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根据经典碰撞理论,可求出粒子在弹性碰撞后 的 能 量 转 移 的 极 大 值 Em, 即 为
式中 M1为碰撞粒子的质量,EK为碰撞粒子的 动能:M2为被碰撞粒子的质量，其碰撞前动能 为0(忽略热运动)．当M1 << M2的情况下,可写 为
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2.3.2 点缺陷
• 点缺陷:在三维空间各方向上尺寸都很小,在原子尺寸大小
的晶体缺陷。
一、点缺陷的类型 :
1) 空位 பைடு நூலகம்晶格结点位置应有原子的 地方空缺,这种缺陷称为“空位”。
2) 间隙原子 在晶格非结点位置，往 往是晶格的间隙，出现了多余的原 子。它们可能是同类原子，也可能 是异类原子。
3) 异类原子 在一种类型的原子组成 的晶格中，不同种类的原子替换原 有的原子占有其应有的位置。
与具有平衡空位浓度的同种金属相比，在物理 性能方面有下列几点不同:
(1)电阻率大; (2)密度小; (3)热容量大。
从而可以通过对高温淬火后的性能进行测定, 求得空位形成能Q; 通过对在淬火后不同时间 的性能变化的测定,求得空位移动能QM。
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四、点缺陷对材料性能的影响
（1）空位对电阻的影响
原理:
其优点是得到单纯的过饱和空位,而且还可以从过 饱和空位的消失过程来研究空位的移动能。
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(2) 塑性变形法
在塑性变形时将产生点缺陷,同时也产生大量的位错, 而间隙原子是否增加尚未察觉到。
缺点是在室温附近进行塑性变形时,空位和位错都增 加,而且位错增加很显著,对晶体性能的影响很大, 因此不 适合用于研究空位的行为。
伪各向同性:多晶体材料中,尽管每个晶粒内部象单 晶体那样呈现各向异性，每个晶粒在空间取向是随 机分布，大量晶粒的综合作用，整个材料宏观上不 出现各向异性，这个现象称为多晶体的伪各向同性。
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三、晶体中的缺陷概论
晶体缺陷:
即使在每个晶粒的内部,也并不完全象晶体学 中论述的(理想晶体)那样，原子完全呈现周期性 的规则重复的排列。把实际晶体中原子排列与理 想晶体的差别称为晶体缺陷。晶体中的缺陷的数 量相当大，但因原子的数量很多，在晶体中占有 的比例还是很少，材料总体具有晶体的相关性能 特点，而缺陷的数量将给材料的性能带来巨大的 影响。
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• 结论:由上式可知电阻的增加与空位浓度成比 例关系,当温度增加时，金属晶体除了一般随 原子热振动增加而增加的电阻以外，在接近 熔点时由于空位浓度的增加，也有与空位浓 度成比例的附加电阻的增加。由直线的斜率 可求得空位的形成能Q。
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多晶体:
实际应用的工程材料 中,那怕是一块尺寸很小 材料，绝大多数包含着许 许多多的小晶体，每个小 晶体的内部，晶格位向是 均匀一致的，而各个小晶 体之间，彼此的位向却不 相同。称这种由多个小晶 体组成的晶体结构称之为 “多晶体”。
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晶粒:多晶体材料中每个小晶体的外形多为不规 则的颗粒状,通常把它们叫做“晶粒”。
定向流动的电子在点缺陷处受到非 平衡力(陷阱),增加了阻力，加速运动提高局部 温度(发热)。
金属的电阻主要来自离子对传导电子
的散射。在完整晶体中，电子基本上是在均匀
电场中运动，而在有缺陷的晶体中，在缺陷区
点阵的周期性被破坏，电场急剧变化，因此对
在晶体 内运动的电子发生强烈散射，因此增
加了电阻。
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对铜和金作精 密的电阻测量, 得出电阻率与 绝对温度之间 的关系曲线如 右图:
晶界:晶粒与晶粒之间的分界面叫“晶粒间界”, 或简称“晶界”。为了适应两晶粒间不同晶格位 向的过渡，在晶界处的原子排列总是不规则的。
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二、多晶体的组织与性能:
组织:多晶相的种类,晶粒的大小、形态、取向和分布， 位错、晶界的状况。
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性能: 组织敏感的性能:强度、断裂韧度、延性、超塑性 组织不敏感的性能：弹性模量
2.3 晶体缺陷
➢材料的实际晶体结构 ➢点缺陷 ➢位错的基本概念 ➢位错的弹性特征 ➢晶体中的界面
1
2.3.1 材料的实际晶体结构
一、多晶体结构
单晶体: 一块晶体材料,其内部的
晶体位向完全一致时，即整 个材料是一个晶体，这块晶 体就称之为“单晶体”，实 用材料中如半导体集成电路 用的单晶硅、专门制造的金 须和其他一些供研究用的材 料。
空位的出现提高了体系的熵值
在一摩尔的晶体中如存在n个空位,晶体中有N=6.023X1023个 晶格位置，这是空位的浓度为x=n/N，系统熵值为:
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设每个空位的形成能为u,空位浓度为x时自由能的 变化为:
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2. 利用过饱和空位浓度求空位形成能Q及空 位移动能QM
• 将金属从高温进行淬火,得到过饱和空位浓度，
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三、点缺陷的平衡浓度
热力学分析表明,在高于0K的任何温度下，晶体最稳 定的状态是含有一定浓度点缺陷的状态。此浓度称为 点缺陷的平衡浓度。
1. 空位形成能 空位的出现破坏了其周围的结合状态，因而造成局部 能量的升高，由空位的出现而高于没有空位时的那一 部分能量称为“空位形成能”。
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