固体物理第四章_晶体的缺陷汇编

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1、弗仑克尔（Frenkel）缺陷
由一个正常原子同时产生一个填隙原子和一个空位 的缺陷。正常格点上的原子，无时无刻不在作围绕 平衡点的振动。由于存在热振动的涨落，振幅大的 原子就会摆脱平衡位置而进入原子间隙位置。 弗仑克尔缺陷是成 对产生的。空位和 填隙原子是原子热 运动引起的，又称 为热缺陷。
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§4.1 晶体缺陷的基本类型
本章主要讨论单晶的缺陷：多晶体是由许多小晶粒 构成，每个晶粒可看成是小单晶。晶粒间界不仅原 子排列混乱，而且是杂质聚集的地方。因此晶粒间 界是一种性质复杂的晶体缺陷。
一、点缺陷
晶体中的填隙原子、空位、俘获电子的空位、杂质 原子等。这些缺陷约占一个原子尺寸，引起晶格周 期性在一到几个原胞范围内发生紊乱。
C B
A
D
肖特基缺陷
最表面上的原子就位移到一个新的位置。晶体内这 种不伴随填隙原子产生的空位，称作肖特基缺陷。
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（1）肖特基缺陷数目越多，晶体的质量密度越小
由于肖特基缺陷产生时，伴随表面原子的增多，空 位增多。
（2）温度不太高时，肖特基缺陷数目比弗仑克尔 缺陷大得多 形成填隙原子时，原子挤入间隙位置所需的能量 比产生肖特基空位所需能量要大。
小角晶界 的刃位错
实际晶体的小角 倾斜现象可以看 成是由一系列刃 位错排列造成的
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2、螺位错
螺位错 线
把晶体沿ABCD面切开到 BC线，使切开两部分晶体 相对滑移一个晶格，然后 粘牢。 经过滑移，除了BC线附近 的部分原子，其它绝大部 分原子基本保持原正常晶 格的排列。称BC原子链
为螺位错。
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注意：（1）BC线附近 其它原子的位错可能比 BC原子链的位错大， 但BC是错位和未错位 的分界线。 （2）存在螺位错时， 原来与BC垂直的晶面， 由于滑移面两边晶面的 相对位移、变成螺旋梯 形式的结构。
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3、替位式杂质原子 在晶体生长、半导体材料及电子陶瓷材料制备， 常常有目的加入少量杂质原子，使其形成替位式 杂质。 在Pb(ZrxTi1-x)O3铁电陶瓷中加入La、Nd、Bi 等“软性”物质，这些原子占据Pb的位置，提高 该铁电材料的介电常数，降低其机械品质因数Qm
（mechanical quanlity factor）：压电振子在谐振时储存的 机械能与在一个周期内损耗的机械能之比。
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扩散的宏观规律和微观机理：
（1）在平衡时，热缺陷的数目是一定的。点缺陷 是原子热运动造成的，缺陷的扩散不仅受晶格周 期性的约束，还会发生复合的现象。产生与复合 平衡。
（3）杂质原子扩散系数比晶体原子自扩散系数大。
（3）离子沿外场方向的扩散构成了离子晶体导电。
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本章主要内容
4.1 缺陷的基本类型 4.2 位错缺陷的性质 4.3 热缺陷的统计理论 4.4 缺陷的扩散 4.5 离子晶体的热缺陷在外场 中的迁移
刃位错
A
未滑动的晶面
EC
F
B
滑动前的晶格
D
刃位错的晶格
刃位错： F原子链。ຫໍສະໝຸດ EF是晶体的挤压区与未挤压区的分界线：
F以下原子间距变大，原子间有较强吸引力；
F的左右晶格被挤压，原子间的排斥力增大。
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例：实际晶体的小角倾斜 晶体由倾斜角很小的两部分晶体结合而成。为了使 结合部的原子尽可能地规则排列，就得每隔一定距 离多生长出一层原子面，这些多生长出来的半截原 子面的顶端原子链就是刃错位。
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莫罗关系（λ∝ a2） F心的空位也可看成电子的陷阱。势阱宽度取离 子尺寸，设晶格常数为a，陷阱宽度为a/2。该束 缚电子的能量为：
En
m为电子质量，n为整数
2 2 n 2
a 2 2 m( ) 2

2 2 n 2
2ma 2
n＝1 n＝2
基态 第一激发态
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电子从基态跃迁到第一激发态需吸收的能量
弗仑克尔缺陷
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空位
填隙原 子
2、肖特基（Schottky）缺陷
某格点上的原子，由于热振动 的涨落，某时刻它的振幅变得 很大，会将最近邻原子挤跑， 自己占据这一最近邻格点，在 它原来的位置留下一个空位。 由于该原子把能量传递给了挤 跑的原子，挤跑的原子也能将 下一个原子挤跑，…。
表面上 的原子
正常原子格 点位置变为 空位
En
2 2 n 2
2ma 2

3 2ma 2
2
2
为吸收光子的角频率
吸收光的波长与晶格常数平方成正比。 离子尺寸越小 ，F心吸收光的波长就越短； 反之，越长。
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F心吸收能量峰Ef (eV)的实验值 F
Li Na K Rb Cs 4.94 4.60 2.79 2.34 1.84
第四章 晶体的缺陷
原子绝对严格按晶格的周期性排列的晶体是不 存在的，实际晶体中或多或少都存在缺陷。
晶体缺陷：点、线和面缺陷（几何形态）。 晶体缺陷对于晶体的各种性质产生十分重要的 作用。特别是，一般晶体中都存在着微观缺陷， 它们可以决定性地影响晶体的基本性质。
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缺陷对晶体性质的影响： 金属延展性的大小 晶体生长的快慢 扩散与缺陷：在较高温度时，原子通过“扩散” 的方式在晶体中移动。在固态中，结构或成份等 物理和化学变化往往都是通过扩散进行的，因此， 扩散现象有很重要的意义。而扩散过程与晶体的 微观缺陷有密切的联系。
添加Fe、Co、Mn等“硬性”添加物后，这些 原子占据Zr或Ti的格点，显著提高该铁电材料的 机械品质因数。
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4、色心 能吸收光的点缺陷
完善的卤化碱晶体是无色透明的。众多的 色心缺陷能使晶体呈现一定的颜色。
例如：F心，把卤化碱晶体在相应的碱金 属蒸气中加热，然后骤冷到室温，则原来透明 的晶体就出现了颜色。
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Cl
3.16 2.66 2.20 1.97
Br
2.68 2.26 1.97 1.76
I
2.01 1.78 1.70
二 、线缺陷
沿一平面，晶体的一部分相对于另一部分发 生滑移时，在滑移部分与未滑移部分的交界处， 晶格容易发生错位，这种缺陷称为位错。 典型的位错有两种：刃位错、螺位错
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1、刃位错
NaCl：黄色；KCl：紫色；LiF：粉红色。
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F心就是一个卤素负离子空位加上一个束缚电子
Excited state (2p) h F absorption Ground state (1s)
卤化碱晶体在相应的碱金属蒸气中加热冷却过 程中，碱金属扩散进入晶体，并以+1价离子占 据正常晶格位置，晶格中出现负离子空位。于 是原来在碱金属原子的一个电子被带正电负离 子空位俘获而束缚在它周围。 其电子能级可粗略采用类氢离子模型处理： 1s2p。