(英文)材料晶体界面和微观结构
材料表征技术ppt课件
1.空间点阵
F1-8空间点阵
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莫塞莱定律
X射线荧光光谱分析和电子探针微区成分分 析的理论16 K射线的双重线
W靶: 0.0709nm 0.0714nm
K波长=？ 加权平均
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产生特征（标识）X射线的根本原因：内层电子的跃迁 • 激发源：高速电子、质子、中子、 X射线; • 每种元素都有特定波长的标识X射线：X射线光谱分析的原理
indexing, structure refinement and ultimately structure solving • Degree of orientation of the crystallites: texture analysis. • Deformation of the crystallites as a result of the production process: residual stress
• 要求与目标 正确选择方法、制订方案、分析结果 为以后掌握新方法打基础
• 课程安排
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第一章 X射线的性质
• •1.1 引言 • •1.2 X射线的本质 • •1.3 X射线的产生及X射线管 • •1.4 X射线谱 • •1.5 X射线与固体物质相互作用
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第一章 X射线的性质 1.1 引言
• 1895， （德，物）伦琴发现X射线 • 1912，（德，物）劳厄发现X射线在晶体 中的衍射
T2-15 特征X射线谱及管电压对特征谱的影响
27
特征X射线产生：能量阈值
EnRn2h(cZ)2
hn2 n1 En2 En1
激发--跃迁--能量降低
KL LK
辐射出来的光子能量
KL hh/c
激发所需能量--与原子核的结合能Ek
界面结构
晶界应力 kT d
晶界应力与热膨胀系数Δα、温度变化、d成正比，如热膨胀 为各向同性即Δα =0,τ=0。
晶粒越大，应力愈大强度越差，抗热冲击性也差。
人为引入具有不同α和弹性模量的晶界相和第二相的弥散，进 行晶界应力设计，有助于材料的强韧化。
高材料的强度是几个世纪以来材料研究的核心 问题。迄今为止强化材料的途径可分为四类： 固溶强化、第二相弥散强化、加工（或应变） 强化和晶粒细化强化。
➢ 粒状析出物杂质作为另外的结晶相在晶界析出，并以呈粒状存在 于晶界中。
（c）晶界电荷 对于许多离子晶体来说，它的结构单元是带电的，缺陷也带电。
因此在晶界处会带电。
➢ 如MgO多晶材料中，如有高价杂质离子（Al3+）存在，则晶界带负 电。
➢ 如Al2O3中有MnO时，晶界带正电。
由于晶界电荷的存在，有时会形成晶界空间电荷区、晶界和陷 阱，直接影响到材料的电学、光学和磁学等性能。
二、界面的空间自由度
空间自由度是描述晶界两个相邻晶粒的相对取向。 确定两个晶粒的相对取向最多需要5个自由度：
➢ 首先考虑坐标中初始位向一致的两个晶粒，沿坐标的某一旋转轴u互
相旋转一个角度θ的情况，u轴取向需要2个变量（u的3个方向余弦 中的2个）。此时u和θ三个自由度决定了两晶粒的相对取向。
➢ 对位向不一致的两个晶粒，晶界相对于其中一个晶体的位向可用该 晶界面的法线来描述，若晶界面的法线为n，则n在坐标中的方向确 定又需要2个自由度。
过渡区）很薄，界面能也较小。 在原子密堆积的晶体（如Au，Al等）中容易产生层错。
层错破坏了晶格的长程序，要散射电子。在半导体单晶器件 中，层错对器件性能影响很大。
…ABCACABCABC…(b) …ABCACBCABC…(c)
2 CrystalGrowth-界面微观结构-2 修改后
c 过程：自台阶上的扭折位置将原子移到另一台阶的扭折 位置，破坏的键数为零（不需能量），无扭折产生.
一个扭折的形成能为 1。
在台阶上任一位置形成正、负扭折的相对几率为
＋ － ＝ 0 ＝exp(1 / kT ) 0
台阶上任一位置形成扭 折的总几率为
＝ ＋＋ －＝2 0 exp(1 / kT )
具有立方对 称性的界面 能极图
i：界面能
晶体的平衡形状 在界面能极图的能量曲面 上每一点作出垂直于该点 矢径的平面，这些平面所 包围的最小体积相似于晶 体的平衡形状。 • 晶体的平衡形状在几何 上相似于界面能极图中体 积为最小的内接多面体。
具有立方对称性 的界面能极图
• 多面体关于平衡形状的任何偏离，都会引起系统吉布斯自由 能的增加，因此存在使晶体恢复到平衡形状的相变驱动力
例：液体
γ(n) = γ = const
∵ 球体：A/V=min ∴液体的平衡形状是球体。
(2) 表面能极图 ——反应表面能与晶面取向关系的图 形 作法： 从原点O作出所有可能存在的· · · · · =n1 : n2 : n3 · · · · · · ·
2.2 晶体的平衡形状
一、表面能极图与晶体平衡形状的描述
1.表面能 晶体表面的离子，由于电价不饱和而具有较多的能 量——表面能。
另一角度：造成单位面积所损耗的功。
比表面能： 晶体表面单位面积的表面能。 •单位：N/m;J/m2 •表面能大小和多种因素有关：晶 体与环境相得性质、结构、成分、 温度、结晶学取向等。
图3.1.2 根据表面能极图求晶体的平衡形状
由界面能极图可以将界面分为：
奇异面：界面能极图中能量曲面上出现最小值的点 （尖点）。该点所对应的晶面称为奇异面。 奇异面是低指数面，也是密积面。 邻位面：奇异面邻近的晶面
材料微观结构的分析与研究
材料微观结构的分析与研究材料科学是一门研究物质性质和结构关系的学科，其中微观结构的研究尤为重要。
微观结构是指材料内部的原子、分子、晶位或折叠构造等微小结构的排布方式。
通过对材料微观结构的分析与研究，可以深入理解材料的性质和行为，为材料设计和制备提供理论依据。
材料的微观结构是很复杂的，其中最基本的是晶体结构。
在晶体内，原子或离子按照一定规律排列成周期性的多面体结构，这种结构称为晶格。
晶格中有许多小的单元块，称为晶胞。
晶胞的长度和角度取决于晶格的类型，根据X射线衍射法或电子衍射法，我们可以测定晶格常数和晶胞参数。
晶胞内的原子或离子称为晶格点，晶格点的类型和排列方式决定着晶体的物理性质。
在材料中还存在着非晶态结构，即没有规则排列的微观结构。
非晶态材料的结构可以近似看做在空间中相邻的原子（或分子）被共用，形成交错的网络结构。
由于非晶态结构中没有周期性，不能像晶体结构一样通过衍射实验测定晶格常数。
除了晶体和非晶态结构，材料中还存在着各种晶体缺陷、界面和间隙结构等微观结构。
晶体缺陷包括点缺陷、线缺陷和面缺陷，它们的存在可以带来导电性、光学性和热性等方面的变化。
界面是两个不同晶体的交界面，在界面处存在着原子构型的不连续，直接影响着力学性能和疲劳寿命等方面。
间隙结构则是材料中相邻原子之间形成的错位结构，大大影响了材料的机械强度和变形行为。
对于材料微观结构的研究方法，传统的手段主要包括电子显微镜、扫描电镜、透射电镜、X射线衍射和原子力显微镜等。
电子显微镜能够获得材料内部结构的高分辨率图像，透射电镜则可以直接观察到晶体缺陷和界面等结构，原子力显微镜则可以跟踪原子的运动轨迹和间隙结构的形成等。
另外，由于计算机技术的发展，计算材料学也越来越重要。
计算材料学是通过计算机模拟的方法研究材料的物理、化学、结构与性能之间的关系。
在材料微观结构的分析和研究方面，常用的计算方法有第一原理计算、分子动力学模拟和晶体生长模拟等。
计算材料学不仅能够提供理论预测，而且还能够指导实验工作，因此在材料研究中具有广泛的应用前景。
materialstudio 计算晶体
近年来，随着计算机技术的飞速发展，计算材料科学成为了材料科学领域中备受瞩目的一个分支。
其中，MaterialStudio计算晶体作为其中的一种重要工具，被广泛应用于材料设计和研究中。
本文将从不同角度探讨MaterialStudio计算晶体的相关内容，以帮助读者更全面地理解这一主题。
一、MaterialStudio计算晶体的基本原理MaterialStudio计算晶体是基于密度泛函理论（DFT）和分子动力学（MD）的计算方法，结合了巨大的晶体数据库和先进的计算技术，可以高效地进行晶体结构的预测和计算。
其原理是通过在计算机上模拟原子之间的相互作用以及结构的动态演化，从而得到材料的结构、力学性能、热学性质等重要信息。
二、MaterialStudio计算晶体的应用领域1.材料设计和优化MaterialStudio计算晶体可以帮助研究人员在计算机上进行大规模的材料结构搜索和优化，以找到具有特定性能的理想材料。
这对于材料设计和新材料的发现具有重要意义。
2.材料性能预测通过MaterialStudio计算晶体，可以准确地预测材料的物理性质，如电子结构、能带结构、光学性质等，对于材料的性能分析和预测具有重要意义。
3.晶体缺陷和界面研究MaterialStudio计算晶体能够模拟材料中的缺陷和界面等微观结构，从而研究材料的稳定性、断裂行为以及晶界对材料性能的影响，为材料改进和优化提供重要参考。
三、MaterialStudio计算晶体在材料科学中的意义MaterialStudio计算晶体的出现极大地促进了材料科学领域的发展和进步。
它不仅提供了一种高效、准确的方法来研究材料的结构和性能，也为材料的设计和优化提供了全新的思路和途径。
通过MaterialStudio计算晶体，研究人员能够更深入地理解材料的微观机制，为新材料的开发和应用提供了有力的支持。
四、个人观点和展望作为一种先进的计算工具，MaterialStudio计算晶体在材料科学领域中具有巨大的潜力和发展空间。
本科课程《材料科学与工程基础》教学大纲 (1)
四川大学本科课程《材料科学与工程基础》教学大纲一、课程基本信息课程名称（中、英文）：《材料科学与工程基础》（FUNDAMENTALS OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING）课程号（代码）：30014530课程类别：专业基础课学时/学分：48 /3先修课程：大学化学、大学物理、物理化学适用专业：高分子材料与工程等二级学科材料类专业开课时间：大学二年级下期二、课程的目的及任务材料科学与工程是二十世纪六十年代初期创立的研究材料共性规律的一门学科，其研究内容涉及金属、无机非金属和有机高分子等材料的成分、结构、加工同材料性能及材料应用之间的相互关系。
材料科学、材料工业和高新技术的发展要求高分子材料与工程等二级学科材料类专业的学生必须同时具备“大材料”基础和“中材料”专业的宽厚知识结构。
本课程是材料类专业的学科基础课程，是联系基础课与专业课的桥梁。
本课程从材料科学与工程的“四要素”出发，采用“集成化”的模式，详细讲授金属材料、无机非金属材料、高分子材料、复合材料等各种材料的共性规律及个性特征。
使学生建立材料制备/加工——组成/结构——性能---应用关系的“大材料”整体概念，从原理上认识高分子材料等各种材料的基本属性，及其在材料领域中的地位和作用。
为以后二级学科“中材料”专业课程的学习、材料设计、以及材料的应用等奠定良好基础。
本课程采用中文教材与英文原版教材相结合，实施“双语”教学。
使学生通过本课程的学习，熟悉材料科学与工程领域的主要英文专业词汇，提高对英文教材的阅读理解能力。
三、课程的教学内容、要点及学时分配（以红字方式注明重点难点）第一章绪论（1学时）本章概要：简要介绍材料的定义及分类，材料科学与工程的基本内容。
使学生了解本课程的学习内容和学习方法。
讲授要点：材料的定义、分类材料科学与工程的定义、性质、重要性（举例）课程学习的目的、方法、要求第二章材料结构基础（15学时）本章概要：按照从微观到宏观、从内部到表面、从静态到动态、从单组分到多组分的顺序，阐述原子电子结构、原子间相互作用和结合方式，固体内部和表面原子的空间排列状态、聚集态结构的有序性、无序性和转变规律及相互关系。
半导体缺陷解析及中英文术语一览
半导体缺陷解析及中英⽂术语⼀览⼀、半导体缺陷1.位错：位错⼜可称为差排（英语：dislocation），在材料科学中，指晶体材料的⼀种内部微观缺陷，即原⼦的局部不规则排列（晶体学缺陷）。
从⼏何⾓度看，位错属于⼀种线缺陷，可视为晶体中已滑移部分与未滑移部分的分界线，其存在对材料的物理性能，尤其是⼒学性能，具有极⼤的影响。
产⽣原因：晶体⽣长过程中，籽晶中的位错、固-液界⾯附近落⼊不溶性固态颗粒，界⾯附近温度梯度或温度波动以及机械振动都会在晶体中产⽣位错。
在晶体⽣长后，快速降温也容易增殖位错。
（111）呈三⾓形；（100）呈⽅形；（110）呈菱形。
2.杂质条纹：晶体纵剖⾯经化学腐蚀后可见明、暗相间的层状分布条纹，⼜称为电阻率条纹。
杂质条纹有分布规律，在垂直⽣长轴⽅向的横断⾯上，⼀般成环状分布；在平⾏⽣长轴⽅向的纵剖⾯上，呈层状分布。
反映了固-液界⾯结晶前沿的形状。
产⽣原因：晶体⽣长时，由于重⼒产⽣的⾃然对流和搅拌产⽣的强制对流，引起固-液界近附近的温度发⽣微⼩的周期性变化，导致晶体微观⽣长速率的变化，或引起杂质边界厚度起伏，⼀截⼩平⾯效应和热场不对称等，均使晶体结晶时杂质有效分凝系数产⽣波动，引起杂质中杂质浓度分布发⽣相应的变化，从⽽在晶体中形成杂质条纹。
解决⽅案:：调整热场，使之具有良好的轴对称性，并使晶体的旋转轴尽量与热场中⼼轴同轴，抑制或减弱熔热对流，可以使晶体中杂质趋于均匀分布。
采⽤磁场拉晶⼯艺或⽆重⼒条件下拉晶可以消除杂质条纹。
3.凹坑：晶体经过化学腐蚀后，由于晶体的局部区域具有较快的腐蚀速度，使晶体横断⾯上出现的坑。
腐蚀温度越⾼，腐蚀时间越长，则凹坑就越深，甚⾄贯穿。
4.空洞：单晶切断⾯上⽆规则、⼤⼩不等的⼩孔。
产⽣原因：在⽓氛下拉制单晶，由于⽓体在熔体中溶解度⼤，当晶体⽣长时，⽓体溶解度则减⼩呈过饱和状态。
如果晶体⽣长过快，则⽓体⽆法及时从熔体中排出，则会在晶体中形成空洞。
5.孪晶：使晶体断⾯上呈现⾦属光泽不同的两部分，分界线通常为直线。
材料的微观结构
材料的微观结构
晶体结构：由质点（离子、原子或分子）在空间按规则的几何形状周期性排列而成的结构。
非晶体结构：熔融物质在急速冷却过程中，质点来不及按一定规则排列变凝固成固体物质，也称无定形。
非晶体结构内部储存了大量内能，具有化学不稳定性，在一定条件下易与其他物质其化学反应。
胶体结构：颗粒在10-7~10-9m 的固体微粒.
密度：材料在绝对密实状态下（不包括材料内部孔隙在内的密实体积），单位体积的质量。
V m
=ρ
表观密度(即容重）：材料在自然状态下，单位体积的质量。
0V m =ρ 堆积密度：材料在自然堆积状态下，单位体积的质量。
''00V m =
ρ 孔隙率：材料内孔隙体积占材料在自然状态下体积的百分比。
%100)1(%1000⨯-=⨯-=P ρ
ρV V V o 密实度：材料的体积内被固体物质充实的程度。
P V V D -=⨯=⨯=
1%100%10000ρρ。
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e
e /2
e /2
Ls = ZNa e / 2
Ls : sublimation heat Z : number of nearest neighbors Na : Avogadro’s number = 6.0221023 mol-1
High-indexed surface
higher or irrational { hkl } index ? stepped layers of close-packed planes
relative boundary energy 1.5 1.0 3 2
70.5 twin
0.5
1
0
misorientation, q deg.
20
40
60
80
0
misorientation, q deg.
60
120
180
rotation axis || <100>
(surf. tension = surf. energy) dimension: Jm-2
dG = gdA + Adg = FdA
if g = const., F = g
3.2 Solid / Vapour Interfaces what does the surface energy originate from? —— broken bonds
Tilt boundaries
q
grain boundary // rotation axis
q
<100>a
<001>a
<100>b <010>a
boundary plane
Low-angle tilt boundaries
q
b
D
D
q
b b D tan q q
edge dislocations
164 324 375 378 625 756 468 660 1080
T /° C 223 450 950 1000 925 1350 1450 1300 2000
gb/gsv
0.24 0.30 0.33 0.27 0.36 0.40 0.23 0.29 0.41
measured grain boundary energies in Al
10 ~ 15°
g gsv /3
for low-angle grain boundaries g q
misorientation, q
measured grain boundary free energies
Crystal Sn Al Ag Au Cu g-Fe d-Fe Pt W
gb/mJm-2
1/a a (cos q )/ a broken bonds
q
(sin|q |)/ a broken bonds
broken bonds per unit surface with a crystal plane at an angle q to the close-packed plane: (cos q + sin|q |) / a2
Equilibrium crystalline shapes
Sn particles on NaCl
NiCr crystal on ThO2
Ni crystal on ThO2
Ir crystal in He
g: a<b<c<d
3.3 Boundaries in Single-Phase Solids description of a grain boundary a) orientation difference between two grains 3 freedoms b) boundary orientation in the sample space 2 freedoms grain boundary energy origin : crystalline defects order : 0.1 eV/atom or 0.5 J/m2
grain boundary transition zone
a few atom planes thick
Large- & low-angle boundaries
Misorientation and boundary energy
random high-angle GBs boundary energy, g
g - plot g -plot of a section in
surface in real space normal to OA A
3D orientation space (001) (111) (110)
gA
O
Surface Equilibrium Surface Equilibrium of a Isolated Particle a) surfaces with lower energies specially oriented surfaces (close-packed orientations) b) reduction of the total surface tending to a sphere
Tin boundary rotation axis
screw dislocations
Twin boundaries (large-angle)
f
a coherent twin boundary
an incoherent twin boundary
Large-angle grain boundaries
(a / b interface)
Metallographic Surfaces
3.1 Interfacial Free Energy liquid film F A G = G0 + A g A + dA F
g : free energy per unit area
(word done by F )
Crystal Interfaces and Microstructure
Basic Interface Types
Free Surfaces
(solid / vapour interface) (a / a interface)
Grain Boundaries
Interphase Interfaces