1线缺陷刃型位错
二，线缺陷
线缺陷和位错的概念：
晶体中的线缺陷就是各种类型的位错，它是在晶体某处有一列或若千列原子发生了有规律的错排现象，使长度达几百至几万个原子问距、宽约几个原子间距范围内的原子离开其平衡位置，发生了有规律的错动。
虽然位错有多种类型但其中最简单最基本的类型有两种：
一种是刃型位错，另一种是螺型位错。
位错是一种极为重要的晶体缺陷
它对于金属的强度、断裂和塑性变形等起着决定性的作用
这里主要介绍位错的基本类型和一些基本概念，关于位错的运动、位错的增殖和交割等内容将在第六章中讲述
()一刃型位错
刃型位错的模型如图1-3所示
1.设有一简单立方晶体，某一原子面在品体内部中断，这个原子平面中断处的边缘就
是一个刃型位错，
2.犹如用一把锋利的钢刀将晶体上半部分切开，沿切口硬插入一额外半原子面一样
3.将刃口处的原子列称之为刃型位错线
刃型位错有正负之分
若额外半原子面位于晶体的上半部，则此处的位错线称为正刃型位错，以符号"丄"表示。反之，若额外半原子面位于晶体的下半部，则称为负刃型位错，以符号"丁"表示。实际上，这种正负之分并无本质上的区别，只是为了表示两者的相对位，便于以后讨论而已。
刃型位错的形成原因分析：
1.事实上，晶体中的位错并不是由于外加额外半原子而造成的，它的形成可能由于多
种原因。
2.例如晶体在塑性变形时，由于局部区域的晶体发生滑移即可形成位错，如图1-35所
示。
局部区域的品体发生滑移即可形成位错如图1.35所示
设想在晶体右上角施加一切应力，促使右上部晶体中的原子沿着滑移面ABCD自右至左移动一个原子间距，由于此吋晶体左上角的原子尚未滑移，于是在晶体内部就出现了已滑移区和未滑移区的边界，在边界附近，原子排列的规则性遭到了破坏，此边界线EF 就相当于图1.33中额外半原子面的边缘，其结构恰好是一个正刃型位错。
因此可以把位错理解为品体中已滑移区和未滑移区的边界
从图1.34b可以看出在位错线周围一个有限区域内
1.原子离开了原来的平衡位置即发生了晶格畸变
2.并且在额外半原子面左右两边的畸变是对称的
3.就好像通过额外半原子面对周围原子施加一弹性应力，这些原子就产生一定的弹性
应变一样
4.所以可以把位错线周围的晶格畸变区看成是存在着一个弹性应力场
5.就正刃型位错而言，滑移面上边的原子显得拥挤，原子间距变小，晶格受到压应力；
晶格下边的原子则显得稀疏，原子间距变大，晶格受到拉应力，而在滑移面上，晶格受到的是切应力。
刃型位错不同位置畸变程度：
在位错中心，即额外半原子面的边缘处，晶格畸变最大，随着距位错中心距离的增加，畸变程度逐渐减小。
位错的宽度和位错线的长度：
1.通常把晶格畸变程度大于其正常原子间距1/4的区域称为位错宽度，其值约为3~5个
原子间距。
2.位错线的长度很长，一般为数百到数万个原于间距
位错称为线缺陷
相形之下，位错宽度显得非常小，所以把位错看成是线缺陷
但事实上位错是一条具有一定宽度的细长管道
刃型位错的特征：
1.刃型位错有一额外半原子而,
2.位错线是一个具有一定长度的细长晶格畸变管道，其中既有正应变，又有切应变。
对于正刃型位错，滑移面之上品格受到压应力，滑移而之下为拉应力。负刃型位错与此相反
位错线与晶体滑移的方向相垂直，即位错线运动的方向垂直于位错线。
3.
位错-晶体缺陷
位错——晶体缺陷作业 S1105051 张玉珠 2.论述一种强化机制在金属组织设计中的应用，举例说明。 固溶强化是融入固溶体中的溶质原子造成晶格畸变，晶格畸变增大了位错运动的阻力，使滑移难以进行，从而使合金固溶体的强度与硬度增加产生强化。包含溶质原子的相就能对材料起到强化作用。一般对固溶强化考虑尺寸效应、模量效应和短程有序（SRO）的作用。 为有效地评价动能穿甲弹材料和提高其性能，以真空处理和锻造退火两种状态下的钨合金动态拉伸性能为判据，采用固溶强化的方法，通过添加稀土元素La，Ce强化93WNiFe合金性能。合金在不同的应变率下，其工程应力—应变曲线随应变率的增加而上升，上屈服点显著上升，延伸率却下降。结果表明在93WNiFe合金中添加稀土元素La，Ce可提高弹用钨合金的动态性能。在高应变率（σs>102）时合金添加La，Ce的真空态强度和塑性高于不添加的，经过锻造后，则合金动态强度比不添加的高出60% ~ 150%，这种性能正好与弹体设计要求的前硬后韧相吻合。添加La，Ce改善性能的途径是：W颗粒和粘结相的固熔强化，W颗粒细化，W—M界面净化W—W界面相对量减少，粘结相W溶解度的减小和游离氢的减少。 3.论述位错与晶界或晶面的交互作用，举例说明。 晶界与位错的交互作用形式分为晶界塞积位错、晶界发出位错和晶界吸收位错。 高纯铝在范性形变初期晶界与位错的交互作用： 在一般情况下，点阵位错以及晶界位错的柏氏矢量并非与晶界面平行，因此点阵位错沿晶界的分解或运动均需要提供一攀移分量，这就是温度对晶界与位错交互作用机制影响的关键。在低温形变中，被晶界捕获的点阵位错很难进行攀移。对于特殊位向的大角晶界，被捕获的点阵位错虽可分解为数个晶界位错，或与预先存在的晶界位错网络发生Suzuki反应但分解产物以及反应产物亦难以通过攀移而松弛，在任意大角晶界中，点阵位错由于得不到充分的热激活很难产生核心宽化，同时也难以沿晶界作整体攀移运动。结果被晶界捕获的位错将对随后而至的位错作用一长程斥力或直接发生短程反应，造成位错在晶界前的塞积。对于小应变范性形变，这种晶界塞积所导致的应力集中将对形变硬化产生重要贡献。随着形变温度的升高，一方面由晶内进人晶界的点阵位错的可动性增加，使得部分位错有可能在热激活及外应力场的作用下，通过分解松弛、核心宽化，以及沿晶界运动而与异号位错相抵消等方式对形变回复产生贡献。另一方面，温度的升高可能有助于激活晶界台阶而向晶内发射位错同时在晶界附近的应力集中区激活更多的次级滑移，结果在松弛一部分应力的同时增加了晶内位错之间交互作用的机会。当形变温度提高到一定程度后，进人晶界的点阵位错借助充分的热激活，通过不同的机制而被晶界迅速吸收。 7.论述如何在强化的同时，提高韧性 对于钢材料，采用细晶强化的方式，提高强度的同时，其塑性韧性也相对提高。这是因为钢晶粒细化后，晶界增多，而晶界上的原子排列不规则，杂质和缺陷多，能量较高，阻碍位错的通过，即阻碍塑性变形，就实现了高强度。晶粒越细，在一定体积内的晶粒数目多，则在同样塑性变形量下，变形分散在更多的晶
材料专题实验实验一 位错蚀坑的观察
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 目前，在研究位错的密度、分布和组态以及它们的运动和交互作用过程中，常常应用光学、电子和场离子显微镜及X射线技术对位错进行观察。主要方法有以下几种： 1.浸蚀法——利用蚀坑显示晶体表面的位错露头。 2.缀饰法——在对光透明的整块试样中，通过在位错上用沉淀体质点缀饰来显它们的位置及存在情况。 3.投射电子显微分析——在很高放大倍数下，观察研究薄膜（厚度为0.1～ 4.0μm）试样中的位错。 4.X射线衍射显微分析——用X光束的局部衍射来研究的密度位错。 5.场离子显微分析——以极高的放大倍数显示金属表面的原子排列情况。 ) 和螺型 ( b ) 位错蚀坑 1000 × 位错蚀坑的形状与晶体表面的晶面有关。譬如，对于立方晶系的晶体，位错 蚀坑在各晶面上的形状和取向如图 6-1 所示。观察面为｛ 111 ｝晶面，位错蚀坑呈正三角形漏斗状；在｛ 110 ｝晶面上的位错蚀坑呈矩形漏斗状；在｛ 100 ｝ 晶面上的位借蚀坑则是正方形漏斗状。因此，按位错蚀坑在晶体表面上的几何形 状，可以反推出观察面是何晶面，并且按蚀坑在晶体表面上的几何形状对称程度， 还可判断位错线与观察面（晶面）之间的夹角，通常为 10~90 °；自然，若位 错线平行观察面便无住错蚀坑形成了。位借蚀坑的侧面形貌与位错类型有关。蚀 坑侧面光滑平整时是刃型位错，如图 6-2 （ a ）所 , 坑侧面出现螺旋线时， 是螺型位错，如图 6 － 2 （ b ）所示。 根据位错蚀坑的分布特征，能够识别晶体中存在的小角度晶界和位借塞积 群。当晶体中存在小角度晶界时，蚀坑将垂直于滑移方向排列成行，如囹 6 － 3 （ a ）所示；而当出现位错塞积群时，蚀坑便沿滑移方向排列成列，并且它们 在滑移方向上的距离逐渐
位错习题解答
练习题Ⅲ（金属所） 1.简单立方晶体，一个V olltera过程如下：插入一个(110)半原子面，然后再位移2/] 1[， 10其边缘形成的位错的位错线方向和柏氏矢量是什么？ 2.在简单立方晶体中有两个位错，它们的柏氏矢量b和位错的切向t分别是：位错(1)的 b(1)=a[010]，t(1)=[010]；位错(2)的b(2)=a[010]，t(2)=[1 00]。指出两个位错的类型以及位错的滑移面。如果滑移面不是惟一的，说明滑移面所受的限制。 3.以一个圆筒薄壁“半原子面”插入晶体，在圆筒薄壁下侧的圆线是不是位错？ 4.写出距位错中心为R1范围内的位错弹性应变能。如果弹性应变能为R1范围的一倍，则 所涉及的距位错中心距离R2为多大?这个结果说明什么？ 5.面心立方晶体两个平行的反号刃型位错的滑移面相距50 nm，求它们之间在滑移方向以 及攀移方向最大的作用力值以及相对位置。已知点阵常数a=0.3 nm，切变模量G=7?1010 Pa，ν =0.3。 6.当存在过饱和空位浓度时，请说明任意取向的位错环都受一个力偶作用，这力偶使位错 转动变成纯刃型位错。 7.面心立方单晶体（点阵常数a=0.36 nm）受拉伸形变，拉伸轴是[001]，拉伸应力为1MPa。 求b=a[101]/2及t平行于[121]的位错在滑移和攀移方向所受的力。 8.若空位形成能为73kJ/mol，晶体从1000K淬火至室温（约300K），b约为0.3nm，问刃 位错受的攀移力有多大?估计位错能否攀移？ 9.当位错的柏氏矢量平行x1轴，证明不论位错线是什么方向，外应力场的σ33分量都不会 对位错产生作用力。 10.证明在均匀应力场作用下，一个封闭的位错环所受的总力为0。 11.两个平行自由表面的螺位错，柏氏矢量都是b，A位错距表面的距离为l1，B位错距表 面的距离为l2，l2> l1，晶体的弹性模量为μ。求这两个位错所受的映像力。 12.一个合金系，在某一温度下的fcc和hcp结构的成分自由能-成分曲线在同一成分有最小 值。问这个成分合金在该温度下的扩散位错会不会出现铃木气团？为什么？ 13.设使位错滑移需要克服的阻力（切应力）对铜为9.8?105 Pa，对3%Si-Fe合金为1.5?108 Pa，铜、3%Si-Fe合金的切变模量μ分别是4?1010 Pa以及3.8?1011 Pa。问它们在表面的低位错密度层有多厚？已知点阵常数a Cu=0.36 nm，a Fe-Si=0.28 nm。 14.简单立方晶体(100)面有一个b=[001]的螺型位错。(1)在(001)面有1个b=[010]的刃型位 错和它相割，相割后在两个位错上产生弯结还是割阶？(2)在(001)面有一个b=[100]的螺型位错和它相割，相割后在两个位错上产生弯结还是割阶？ 15.立方单晶体如图所示，三个平行的滑移面上各有两个位错，位错的正向及柏氏矢量如图 中箭头所示：bⅠ、bⅢ、bⅤ和bⅥ平行[010]方向，bⅡ平行[100]方向，bⅣ平行于] 1[方向， 10所有柏氏矢量的模相等；在σ32作用下，假设位错都可以滑动。位错滑动后，问A相对
晶体位错观察
实验一晶体位错观察 一、实验目的 1.初步掌握用浸蚀法观察位错的实验技术。 2.学会计算位错密度。 二、实验设备 1. 单晶硅专用磨片机； 2. 高纯热处理炉； 3. 反光显微镜； 4. 酸处理风橱； 5. 纯水系统； 6. 大、小烧杯； 7. 大、小量筒 8. 纯净干燥箱 9. 超声清洗机，10. 硅单晶试样、11. 带测微目镜的金相显微镜、12. 切片机。 三、实验原理 由于位错是点阵中的一种缺陷，所以当位错线与晶体表面相交时，交点附近的点阵将因位错的存在而发生畸变，同时，位错线附近又利于杂质原子的聚集。因此，如果以适当的浸蚀剂浸蚀金属的表面，便有可能使晶体表面的位错露头处因能量较高而较快地受到浸蚀，从而形成小的蚀坑，如图1-1所示。这些蚀坑可以显示晶体表面位错露头处的位置，因而可以利用位错蚀坑来研究位错分布以及由位错排列起来的晶界等。但需要说明的是，不是得到的所有蚀坑都是位错的反映，为了说明它是位错，还必须证明蚀坑和位错的对应关系。由于浸蚀坑的形成过程以及浸蚀坑的形貌对所在晶体表面的取向敏感，根据这一点可确定蚀坑是否有位错的特征（图1-1所示）。本实验所用的硅单晶及其它立方晶体中的位错在各种晶面上蚀坑的几种特征如图1-2所示。
图1－1 位错在晶体表面露头处蚀坑的形成 (a)刃型位错，包围位错的圆柱区域与其周围的晶体具有不同的物理和化学性质； (b)缺陷区域的原子优先逸出，导致刃型位错处形成圆锥形蚀坑；(c)螺位错的露头位置；(d)螺位错形成的卷线形蚀坑，这种蚀坑的形成过程与晶体的生长机制相反。 (111) a=b (100) 图1-2 立方晶体中位错蚀坑形状与晶体表面晶向的关系
实验一 半导体材料的缺陷显示及观察
实验一半导体材料的缺陷显示及观察 实验目的 1．掌握半导体的缺陷显示技术、金相观察技术； 2．了解缺陷显示原理，位错的各晶面上的腐蚀图象的几何特性； 3．了解层错和位错的测试方法。 一、实验原理 半导体晶体在其生长过程或器件制作过程中都会产生许多晶体结构缺陷，缺陷的存在直接影响着晶体的物理性质及电学性能，晶体缺陷的研究在半导体技术上有着重要的意义。 半导体晶体的缺陷可以分为宏观缺陷和微观缺陷，微观缺陷又分点缺陷、线缺陷和面缺陷。位错是半导体中的主要缺陷，属于线缺陷；层错是面缺陷。 在晶体中，由于部分原子滑移的结果造成晶格排列的“错乱”，因而产生位错。所谓“位错线”，就是晶体中的滑移区与未滑移区的交界线，但并不是几何学上定义的线，而近乎是有一定宽度的“管道”。位错线只能终止在晶体表面或晶粒间界上，不能终止在晶粒内部。位错的存在意味着晶体的晶格受到破坏，晶体中原子的排列在位错处已失去原有的周期性，其平均能量比其它区域的原子能量大，原子不再是稳定的，所以在位错线附近不仅是高应力区，同时也是杂质的富集区。因而，位错区就较晶格完整区对化学腐蚀剂的作用灵敏些，也就是说位错区的腐蚀速度大于非位错区的腐蚀速度，这样我们就可以通过腐蚀坑的图象来显示位错。 位错的显示一般都是利用校验过的化学显示腐蚀剂来完成。腐蚀剂按其用途来分，可分为化学抛光剂与缺陷显示剂，缺陷显示剂就其腐蚀出图样的特点又可分为择优的和非择优的。 位错腐蚀坑的形状与腐蚀表面的晶向有关，与腐蚀剂的成分，腐蚀条件有关，与样品的性质也有关，影响腐蚀的因素相当繁杂，需要实践和熟悉的过程，以硅为例，表1列出硅中位错在各种界面上的腐蚀图象。 二、位错蚀坑的形状 当腐蚀条件为铬酸腐蚀剂时，<100>晶面上呈正方形蚀坑，<110>晶面上呈菱形或矩形蚀坑，<111>晶面上呈正三角形蚀坑。（见图1）。
晶体缺陷习题教(学)案答案解析
晶体缺陷习题与答案 1 解释以下基本概念 肖脱基空位、弗仑克尔空位、刃型位错、螺型位错、混合位错、柏氏矢量、位错密度、位错的滑移、位错的攀移、弗兰克—瑞德源、派—纳力、单位位错、不全位错、堆垛层错、汤普森四面体、位错反应、扩展位错、表面能、界面能、对称倾侧晶界、重合位置点阵、共格界面、失配度、非共格界面、内吸附。 2 指出图中各段位错的性质，并说明刃型位错部分的多余半原子面。 3 如图，某晶体的滑移面上有一柏氏矢量为b 的位错环，并受到一均匀切应力τ。(1)分析该位错环各段位错的结构类型。(2)求各段位错线所受的力的大小及方向。(3)在τ的作用下，该位错环将如何运动?(4)在τ的作用下，若使此位错环在晶体中稳定不动，其最小半径应为多大? 4 面心立方晶体中，在(111)面上的单位位错]101[2a b =，在(111)面上分解为两个肖克莱 不全位错，请写出该位错反应，并证明所形成的扩展位错的宽度由下式给出πγ242Gb s d ≈ (G 切 变模量，γ层错能)。 5 已知单位位错]011[2a 能与肖克莱不全位错]112[6a 相结合形成弗兰克不全位错，试说
明：（1）新生成的弗兰克不全位错的柏氏矢量。(2)判定此位错反应能否进行？(3)这个位错为什么称固定位错? 6 判定下列位错反应能否进行?若能进行，试在晶胞上作出矢量图。 (1)]001[]111[]111[22a a a →+ (2)]211[]112[]110[662a a a +→ (3)]111[]111[]112[263a a a →+ 7 试分析在(111)面上运动的柏氏矢量为]101[2a b =的螺位错受阻时，能否通过交滑移转 移到(111)，(111)，(111)面中的某个面上继续运动?为什么? 8 根据晶粒的位向差及其结构特点，晶界有哪些类型?有何特点属性? 9 直接观察铝试样，在晶粒内部位错密度为5×1013/m 2，如果亚晶间的角度为5o ，试估算界面上的位错间距(铝的晶格常数a=2.8×10-10m)。 1. 设铜中空位周围原子的振动频率为1013s -1，⊿Em 为0.15γTM 10-18J ，exp(⊿Sm/k)约为1，试计算在700K 和室温(27℃)时空位的迁移频率。 2. Nb 的晶体结构为bcc ，其晶格常数为0.3294nm ，密度为8.57g/cm 3，试求每106Nb 中所含空位数目。 3. Pt 的晶体结构为fcc ，其晶格常数为0.39231nm ，密度为21.45g/cm 3，试计算空位所占的格子之比例。 4. 若fcc 的Cu 中每500个原子会失去一个原子，其晶格常数为0.36153nm ，试求铜的密度。 5. 若H 原子正好能填入a-Fe 的间隙位置，而如果每200个铁原子伴随着一个H 原子，试求理论的和平均的密度与致密度(已知a-Fe a=0.286nm ，r Fe =0.1241nm ， r H =0.036nm)。
蓝宝石单晶中的位错缺陷
化学腐蚀法研究蓝宝石单晶中的位错缺陷 吕海涛1，张维连1，左燕1，步云英2 (1.河北工业大学,天津300130；2.天津半导体技术研究所，天津300051) 摘要：采用化学腐蚀-金相显微镜法和SEM法观察了CZ法生长的直径50mm的蓝宝石单晶中的位错缺陷。发现位错分布状况为中心较低、边缘较高，密度大约为104-105cm-2。在不同温度不同的试剂以及不同的腐蚀时间进行对比结果发现，用KOH腐蚀剂在290℃下腐蚀15min时，显示的位错最为清晰、准确，效果最佳。 关键词：蓝宝石单晶：位错：化学腐蚀 中图分类号：TN304．21；077+2 文献标识码：A 文章编号：1003-353X(2004)04-0048-04 1 引言 近年来宽禁带(Eg＞2．3V)半导体材料发展十分迅速，称为第三代电子材料。主要包括SiC、金刚石、GaN等。同第一、二代电子材料相比，第三代电子材料具有禁带宽度大，电子漂移饱和速度高、介电常数小、导热性能好等特点，非常适用于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件。利用其特有的禁带宽度，还可以制作蓝绿光和紫外光的发光器件和光探测器件。其中GaN 是一种商业化前景最好的光电子材料，它具有某些其他材料无可比拟的优越性。因此许多大公司、实验室、高等院校和科研所都投入大量人力物力开发这种新型光电子器件，但是第三代半导体材料的晶体生长都比较困难。GaN的熔点高，很难采用常规的方法直接生长GaN体单晶。因此为了满足制作器件的需要，各种外延技术仍是获得高质量、大尺寸单晶片的主要方法。 制备外延GaN薄膜，目前主要的衬底材料有：蓝宝石、SiC、硅等衬底材料。综合多方面考虑，蓝宝石是目前最广泛使用的衬底[1]。 蓝宝石是刚玉类宝石中的一个品种。天然蓝宝石无色透明，多数是罕见的星光宝石。由于天然蓝宝石稀少，化学成分不纯和成本高，不能作为工业材料使用。人造蓝宝石具有许多热学、光学、电学和力学的优良性能，使它成为一种特殊的材料，有着重要的用途，吸引着人们在蓝宝石的研制和应用等方面作了大量的工作。 蓝宝石的主要化学成分是三氧化二铝(A12O3)，晶型为a-A12O3，分子量为101．94。在20℃时的
实验一 半导体材料的缺陷显示及观察资料讲解
实验一半导体材料的缺陷显示及观察
实验一半导体材料的缺陷显示及观察 实验目的 1．掌握半导体的缺陷显示技术、金相观察技术； 2．了解缺陷显示原理，位错的各晶面上的腐蚀图象的几何特性； 3．了解层错和位错的测试方法。 一、实验原理 半导体晶体在其生长过程或器件制作过程中都会产生许多晶体结构缺陷，缺陷的存在直接影响着晶体的物理性质及电学性能，晶体缺陷的研究在半导体技术上有着重要的意义。 半导体晶体的缺陷可以分为宏观缺陷和微观缺陷，微观缺陷又分点缺陷、线缺陷和面缺陷。位错是半导体中的主要缺陷，属于线缺陷；层错是面缺陷。 在晶体中，由于部分原子滑移的结果造成晶格排列的“错乱”，因而产生位错。所谓“位错线”，就是晶体中的滑移区与未滑移区的交界线，但并不是几何学上定义的线，而近乎是有一定宽度的“管道”。位错线只能终止在晶体表面或晶粒间界上，不能终止在晶粒内部。位错的存在意味着晶体的晶格受到破坏，晶体中原子的排列在位错处已失去原有的周期性，其平均能量比其它区域的原子能量大，原子不再是稳定的，所以在位错线附近不仅是高应力区，同时也是杂质的富集区。因而，位错区就较晶格完整区对化学腐蚀剂的作用灵敏些，也就是说位错区的腐蚀速度大于非位错区的腐蚀速度，这样我们就可以通过腐蚀坑的图象来显示位错。 位错的显示一般都是利用校验过的化学显示腐蚀剂来完成。腐蚀剂按其用途来分，可分为化学抛光剂与缺陷显示剂，缺陷显示剂就其腐蚀出图样的特点又可分为择优的和非择优的。 位错腐蚀坑的形状与腐蚀表面的晶向有关，与腐蚀剂的成分，腐蚀条件有关，与样品的性质也有关，影响腐蚀的因素相当繁杂，需要实践和熟悉的过程，以硅为例，表1列出硅中位错在各种界面上的腐蚀图象。 二、位错蚀坑的形状 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除谢谢2
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。分类：刃位错、螺位错、混合型位错。 12、刃型位错特点：a) 刃型位错有一个多余半原子面。正刃型位错和负刃型位错只有相对意义，无本质区别。 b) 位错线不一定为直线，但滑移面必定是位错线和滑移矢量确定的平面，滑移面唯一。 c) 刃型位错周围点阵发生弹性畸变，既有切应变，又有正应变。能引起材料体积变化。 d) 刃型位错位错线垂直于柏氏矢量，垂直于滑移方向，垂直于滑移矢量。位错线移动方向平行于晶体滑移方向。 e) 刃型位错属于线缺陷，位错线可以理解为晶体中已滑移区与未滑移区的边界线。 f) 刃型位错位错线不能终止于晶体内部，只能露头晶体表面或晶界。 13、螺型位错特点： a) 螺型位错无额外半个原子面，原子错排是呈轴对称的。右螺型位错和左螺型位错有本质区别。 b) 螺型位错线一定是直线，但滑移面不唯一，凡是包含螺型位错线的（原子密排）平面都可以作为他的滑移面。 c) 螺型位错周围点阵发生弹性畸变，只有平行于位错线的切应变，没有正应变。不会引起材料体积变化。 d) 螺型位错位错线平行于柏氏矢量，平行于滑移方向，平行于滑移矢量，位错线的移动方向垂直于晶体滑移方向。 e) 刃型位错属于线缺陷，位错线可以理解为晶体中已滑移区与未滑移区的边界线。 f) 螺型位错位错线不能终止于晶体内部，只能露头晶体表面或晶界。 14、混合型位错：滑移矢量既不平行也不垂直于位错线，而与位错线相交成任意角度，这种位错称为混合位错。特点：a) 混合型位错位错线既不平行也不垂直于滑移矢量，每一段混合型位错均包含刃型位错分量和螺型位错分量（可以有纯刃型位错环，没有纯螺型位错环）。 b) 混合型位错是已滑移区和未滑移区的分界线。 c) 混合型位错位错线不能终止于晶体内部，只能露头晶体表面或晶界。 15、柏氏矢量的确定： 1) 首先选定位错线的正向，一般选择出纸面方向为正向。 2) 在实际晶体中，从任一原子出发，围绕位错（避开位错线附近的严重畸变区）以一定的步数作一右旋闭合回路MNOPQ(称为柏氏回路）。 3) 在完整晶体中按同样的方向和步数作相同的回路，该回路并不封闭，由终点Q向起点M引一矢量b，使该回路闭合，这个矢量b就是实际晶体中位错的柏氏矢量。 16、右手法则：右手的拇指、食指、中指构成直角
实验12半导体材料层错位错的显示
实验12 半导体材料层错、位错的显示及照相 通常制造电子器件要求所采用的半导体材料是单晶体，这就要求材料的原子排列应严格的按照一定规律排列。但由于种种原因，实际的单晶中存在有某些缺陷，位错就是其中的一种。在硅单晶中，由于种种原因，特别是在高温下材料内应力使原子面间产生滑移，晶面局部产生范性形变，这种形变即形成位错，使得完整的晶体结构受到破坏。 在半导体器件工艺制造中，外延是一项重要的工艺。外延就是在单晶衬底上再长一层具有一定导电类型、电阻率，厚度的完整晶格结构的单晶层。在外延生长过程中，原子的排列仍然要按一定的顺序，但是由于种种原因，如样品表面机械损伤，表面沾污气体不纯等，使得外延层原子的排列发生了错排，这种原子层排列发生错乱的地方叫层错，它是一种面缺陷。 一、实验目的 1. 掌握半导体材料硅单晶片的位错的显示方法。 2. 掌握金相显微镜的使用方法并了解显微照像的一般过程并对结果进行分析。 *3.掌握半导体材料硅单晶片外延层的层错的显示方法。 *4.学会计算位错、层错密度以及观测外延层厚度的方法。 二、预习要求 1. 阅读实验讲义，理解实验原理。 2. 熟悉有关仪器的使用方法及注意事项。 三、实验仪器 数码摄影金相显微镜、计算机、打印机、具有位错、层错的样品、*外延硅片等。 四、基础知识 位错： 位错主要有刃位错和螺位错两种。所谓刃位错(也称棱位错)，如图1所示，除了在“⊥”处有一条垂直于纸面的直线AD外，原子排列基本上是规则的，原子的位置排列错乱只发生在直线AD附近，我们就说在“⊥”处有一条垂直于纸面的刃位错。因为在图(1)中由ABCD 所围成的原子平面象一把刀砍入完整晶格，而原子位置的错乱就发生在这把刀的刃AD附近，故取名刃位错。 图2的晶格包含了螺位错。可以看出，除了在A 点垂直于晶体表面的直线AD附近的区外，原子的排列是规则的，因而在AD处有一条螺位错。为什么称为螺位错呢？如果在晶体表面任取一点B，使它绕直线AD沿原子面顺时针转动，并保持B点与AD直线的距离不
1线缺陷刃型位错
二，线缺陷 线缺陷和位错的概念： 晶体中的线缺陷就是各种类型的位错，它是在晶体某处有一列或若千列原子发生了有规律的错排现象，使长度达几百至几万个原子问距、宽约几个原子间距范围内的原子离开其平衡位置，发生了有规律的错动。 虽然位错有多种类型但其中最简单最基本的类型有两种： 一种是刃型位错，另一种是螺型位错。 位错是一种极为重要的晶体缺陷 它对于金属的强度、断裂和塑性变形等起着决定性的作用 这里主要介绍位错的基本类型和一些基本概念，关于位错的运动、位错的增殖和交割等内容将在第六章中讲述 ()一刃型位错 刃型位错的模型如图1-3所示 1.设有一简单立方晶体，某一原子面在品体内部中断，这个原子平面中断处的边缘就 是一个刃型位错， 2.犹如用一把锋利的钢刀将晶体上半部分切开，沿切口硬插入一额外半原子面一样 3.将刃口处的原子列称之为刃型位错线 刃型位错有正负之分 若额外半原子面位于晶体的上半部，则此处的位错线称为正刃型位错，以符号"丄"表示。反之，若额外半原子面位于晶体的下半部，则称为负刃型位错，以符号"丁"表示。实际上，这种正负之分并无本质上的区别，只是为了表示两者的相对位，便于以后讨论而已。
刃型位错的形成原因分析： 1.事实上，晶体中的位错并不是由于外加额外半原子而造成的，它的形成可能由于多 种原因。 2.例如晶体在塑性变形时，由于局部区域的晶体发生滑移即可形成位错，如图1-35所 示。 局部区域的品体发生滑移即可形成位错如图1.35所示 设想在晶体右上角施加一切应力，促使右上部晶体中的原子沿着滑移面ABCD自右至左移动一个原子间距，由于此吋晶体左上角的原子尚未滑移，于是在晶体内部就出现了已滑移区和未滑移区的边界，在边界附近，原子排列的规则性遭到了破坏，此边界线EF 就相当于图1.33中额外半原子面的边缘，其结构恰好是一个正刃型位错。 因此可以把位错理解为品体中已滑移区和未滑移区的边界 从图1.34b可以看出在位错线周围一个有限区域内 1.原子离开了原来的平衡位置即发生了晶格畸变 2.并且在额外半原子面左右两边的畸变是对称的 3.就好像通过额外半原子面对周围原子施加一弹性应力，这些原子就产生一定的弹性 应变一样 4.所以可以把位错线周围的晶格畸变区看成是存在着一个弹性应力场 5.就正刃型位错而言，滑移面上边的原子显得拥挤，原子间距变小，晶格受到压应力； 晶格下边的原子则显得稀疏，原子间距变大，晶格受到拉应力，而在滑移面上，晶格受到的是切应力。 刃型位错不同位置畸变程度：
位错期末考试
一、解释概念（3×5=15分） 1.空位：晶格中某格点上的原子空缺了，则称为空位，这是晶体中最重要的点缺陷。脱位原子有可能挤入格点的间隙位置， 形成间隙原子。 2.刃型位错：有一多余半原子面，好象一把刀插入晶体中，使半原子面上下两部分晶体之间产生了原子错排，称为刃型位 错。其半原子面与滑移面的交线为刃型位错线。。 3.螺型位错：晶体沿某条线发生上下两部分或左右两部分错排，在位错线附近两部分原子是按螺旋形排列的，所以把这种 位错称为螺型位错。 4.攀移：刃型位错在垂直于滑移面方向的运动称作攀移。通常把多余半原子面向上运动称为正攀移，向下运动称为负攀移。 攀移可视为半原子面的伸长或缩短，可通过物质迁移即空位或原子扩散来实现。 5.割阶：一个运动的位错线特别是在受到阻碍的情况下，有可能通过其中一部分线段首先进行滑移。若该曲折线段垂直于 位错的滑移面时，称为割阶 6.层错：实际晶体结构中，密排面的正常堆垛顺序遭到破坏和错排，称为堆垛层错，简称层错。 7.晶界：属于同一固相但位向不同的晶粒之间的界面称为晶界。 8.扭折：一个运动的位错线特别是在受到阻碍的情况下，有可能通过其中一部分线段首先进行滑移。若由此形成的曲折在 位错的滑移面上时，称为扭折。 9.柏氏矢量：用来表征位错特征，揭示位错本质的物理量。其大小表示位错的强度，方向及与位错线的关系表示位错的正 负及类型。 10.扩展位错：通常把一个全位错分解成两个不全位错，中间夹着一个堆垛层错的位错组态称为扩展位错。
11.科垂尔气团：围绕刃型位错形成的溶质原子聚集物，通常阻碍位错运动，产生固溶强化效果。 12.面角位错：在FCC晶体中形成于两个{111}面的夹角上，由三个不全位错和两个层错构成的不能运动的位错组态。 二、填空（1×15＝15分） 1.螺位错的滑移矢量与位错线________，凡是包含位错线的平面都可以作为它的滑移面。但实际上，滑移通常是在那些 原子________面上进行。 2.两柏氏矢量相互垂直的刃型与螺型位错相交，会在刃型位错上形成________，在螺型位错上形成________。 3.柏氏矢量的大小，即位错强度。同一晶体中，柏氏矢量愈大，表明该位错导致的点阵畸变________，它所处的能量也 ________。由P—N力公式可知，使位错移动的临界切应力随a/b增加而________，所以滑移通常发生在________面的________方向上。 4.两柏氏矢量相互平行的刃型位错交割，会分别在两刃型位错上形成________，而两柏氏矢量相互垂直的刃型位错交割， 会在其中的一个刃型位错上形成________。 5.面心立方、体心立方和密排六方晶体的堆垛形式分别为沿(110)密排面的________、沿滑移面的________、沿 (0001)密排面的________。 6.在实际晶体中，从任一原子出发，围绕位错以一定的步数作一闭合回路，称为________；在完整晶体中按同样的方向 和步数作相同的回路，该回路________，由________点到________点引一矢量，使该回路闭合，这个矢量称为实际晶体中的柏氏矢量。 7.面心立方晶体的密排方向为________，其单位位错的柏氏矢量为________；体心立方晶体密排方向为________，单位 位错柏氏矢量为________。密排六方晶体的密排方向为________，单位位错为________。
螺型位错的特征
螺型位错的特征 1螺型位错无额外半原子面，原子错排是呈轴对称的。 2根据位错线附近呈螺旋形排列的原子旋转方向不同, 可分为右旋和左旋螺型位错。 3螺型位错线与滑移矢量平行，因此一定是直线，而且位错线的移动方向与晶体滑移方向互相垂直。 4纯螺型位错的滑移面不是唯一的。凡是包含螺型位错线的平面都可以作为它的滑移面。但实际上，滑移通常是在那些原子密排面上进行。 5螺型位错线周围的点阵也发生了弹性畸变，但只有平行于位错线的切应变而无正应变，即不会引起体积膨胀和收缩，且在垂直于位错线的平面投影上，看不到原子的位移，看不出有缺陷。 6螺型位错周围的点阵畸变随离位错线距离的增加而急剧减少，故也是包含几个原子宽度的线缺陷。 刃型位错的柏氏矢量与位错线垂直，这是刃型位错的一个重要特征 螺型位错的柏氏矢量与位错线平行，这是螺型位错的一个重要特征 晶向指数的确定步骤: (1)以晶胞的某一阵点O为原点,建立坐标轴X，Y, Z，以点阵矢量的长度作为坐标轴的长度单位 (2)过原点O作一直线0P，使其平行于待定晶向. (3)选取距原点O最近的一个阵点P，确定P点的3个坐标值。 (4)将3个坐标值化为最小整数u,v,w,加上方括号即为待定晶向的晶向指数[uvw]. 晶面指数标定： (1)在点阵中设定参考坐标系，但不能将坐标原点选在待确定指数的晶面上，以免出现零截距. (2)求待定晶面在三个晶轴上的截距.若该晶面与某轴平行，则此轴上截距为∞；若与某轴负方向相截，则此轴上截距为一负值。 (3)取各截距的倒数。 (4)将三倒数化为互质的整数比，并加上圆括号，即为表示该晶面的指数,记为(hkl). 晶带 所有平行或相交于同一直线的这些晶面构成一个晶带．此直线称为晶带轴。属此晶带的晶面称为晶带面。不全位错 若堆垛层错不是发生在晶体的整个原子面上而只是部分区域存在，那么，在层错与完整晶体的交界处就存在b不等于点阵矢量的不全位错。 面心立方晶体中有两种重要的不全位错：肖克莱不全位错弗兰克不全位错。 弹性不完整性的现象包括: 包申格效应弹性后效弹性滞后循环韧性等。 包申格效应：多晶体金属材料的普遍现象。材料经预先加载产生少量塑性变形(＜4%)，而后同向加载则σe升高，反向加载则σ e下降。此现象称之为包申格效应。 固溶体_凝固过程的特点 包括形核与长大两个阶段，但由于合金中存在凝固在一个温度区间内进行，液、固两相的成分随温度下降不断变化，因此凝固过程依赖于两组元原子的扩散。 第二组元，其凝固过程较纯金属复杂。 合金结晶出的固相成分与液态合金不同，形核时除需要能量起伏外还需一定的成分起伏。 每一温度下，平衡凝固实质包括三个过程： ①液相内的扩散过程。②固相的继续长大。③固相内的扩散过程
位错蚀坑的观察
位错蚀坑的观察 一、实验目的 使用金相显微镜观察晶体中的位错。 二、实验原理 当以适当的化学浸蚀法、电解浸蚀法进行浸蚀，以及在真空或其他气氛中进行加热时，位错线在晶体表面的露头处会由于位错应力场而发生腐蚀，或由于晶体表面张力与位错线张力趋于平衡状态的作用而使金属被扩散掉，在位错的位置形成蚀坑，借助一般金相显微镜或扫描电镜观察蚀坑便能判断位错的存在。为了证明蚀坑与位错的一致对应关系，可将晶体制成薄片，若在两个相对的表面上形成几乎一致的蚀坑，便说明蚀坑即位错。此外，在台阶、夹杂物等缺陷处形成的是平底蚀坑，很容易地区别于位错露头处的尖底蚀坑。 图 6-1 位错蚀坑在各晶面上的形状和取向 图 6-2 硅单晶体 {111} 晶面上的刃型 ( a) 和螺型 ( b ) 位错蚀坑1000 × 位错蚀坑的形状与晶体表面的晶面有关。譬如，对于立方晶系的晶体，位错蚀坑在各晶面上的形状和取向如图 6-1 所示。观察面为｛ 111 ｝晶面，位错蚀
坑呈正三角形漏斗状；在｛ 110 ｝晶面上的位错蚀坑呈矩形漏斗状；在｛ 100 ｝晶面上的位借蚀坑则是正方形漏斗状。因此，按位错蚀坑在晶体表面上的几何形状，可以反推出观察面是何晶面，并且按蚀坑在晶体表面上的几何形状对称程度，还可判断位错线与观察面（晶面）之间的夹角，通常为10~90 °；自然，若位错线平行观察面便无住错蚀坑形成了。位借蚀坑的侧面形貌与位错类型有关。蚀坑侧面光滑平整时是刃型位错，如图 6-2 （ a ）所 , 坑侧面出现螺旋线时，是螺型位错，如图 6 － 2 （ b ）所示。 若位借从蚀坑处移开后再次显露，则由于位错是蚀坑的胚胎，原蚀坑将扩大，但深度不再增加，变成平底的；同时，在位错新位置上将出现新的尖底蚀坑。由此可研究位错的运动。位错是晶体中的线缺陷。单位体积晶体中所含位错线的总长度称位借密度。若将位错线视为彼此平行的直线，它们从晶体的一面均延至另一面，则位错密度便等于穿过单位截面积的位错线头数，即 (6-1) 式中，ρ为位错密度（位错线头数／ cm 2 ），A 为晶体的截面积（ cm 2 ）；n 为A 面积内位借线头数。具体方法可以是：在垂直于位借钱的观察面上，用目镜测微尺度量出某面积，并数出在该面积内的位借蚀坑个数，代入上式计算出ρ值。当然，若位错密度较大，蚀坑彼此重迭便难于区分了． 根据位错蚀坑的分布特征，能够识别晶体中存在的小角度晶界和位借塞积群。当晶体中存在小角度晶界时，蚀坑将垂直于滑移方向排列成行，如囹 6 － 3 （a ）所示；而当出现位错塞积群时，蚀坑便沿滑移方向排列成列，并且它们在滑移方向上的距离逐渐增大，如图 6-3( b ) 所示。 图 6-3 硅单晶体 {111} 晶面上显示的小角度晶界 ( a) 和位错塞积群 ( b) 借助位错蚀坑的观察，还可鉴定单晶体的质量和研究织构、多边化过程等。 三、实验内容与步骤 观察位错蚀坑，可选硅单晶体或纯铁、纯铜、纯铝多晶体之一作实验对象。
位错理论
《位错与位错强化机制》杨德庄编著哈尔滨工业大学出版社1991年8月第一版 1-2 位错的几何性质与运动特性 一、刃型位错 2．运动特性 滑移面：由位错线与柏氏矢量构成的平面叫做滑移面。 刃型位错运动时，有固定的滑移面，只能平面滑移，不能能交叉滑移（交滑移）。 刃型位错有较大的滑移可动性。这是由于刃型位错使点阵畸变有面对称性所致。 二、螺型位错 1. 几何性质 螺型位错的滑移面可以改变，有不唯一性。螺型位错能够在通过位错线的任意平面上滑移，表现出易于交滑移的特性。 同刃型位错相比，螺型位错的易动性较小。、 位于螺型位错中心区的原子都排列在一个螺旋线上，而不是一个原子列，使点阵畸变具有轴对称性。 2．混合位错 曲线混合位错的结构具有不均一性。 混合位错的运动特性取决于两种位错分量的共同作用结果。一般而言，混合位错的可动性介于刃型位错和螺型位错之间。随着刃型位错分量增加，使混合位错的可动性提高。 混合位错的滑移面应由刃型位错分量所决定，具有固定滑移面。 四、位错环 一条位错的两端不能终止于晶体内部，只能终止于晶界、相界或晶体的自由表面，所以位于晶体内部的位错必然趋向于以位错环的形式存在。一般位错环有以下两种主要形式： 1. 混合型位错环 在外力作用下，由混合型位错环扩展使晶体变形的效果与一对刃型位错运动所造成的效果相同。 2. 棱柱型位错环 填充型的棱柱位错环 空位型棱柱位错环 棱柱位错环只能以柏氏矢量为轴的棱柱面上滑移，而不易在其所在的平面上向四周扩展。因为后者涉及到原子的扩散，因而在一般条件下（如温度较低时）很难实现。 1-3 位错的弹性性质 位错是晶体中的一种内应力源。——这种内应力分布就构成了位错的应力场。——位错的弹
实验二 螺旋位错生长过程观察
实验二螺旋位错生长过程观察 一、实验目的 1. 了解水溶液中的溶解度与结晶原理； 2. 认识枝晶生长的基本过程； 3. 观察晶体生长的螺旋位错，计算台阶横向生长速率及其与驱动力的关系。 4. 观察手性晶体。 二、实验设备及材料 1、带CCD的显微镜； 2、载玻片； 3、盖玻片； 4、偏光片； 5、加热装置； 6、碘化镉； 7、氯酸钠； 8、有机晶体（Phenyl salicylate,对羟基苯甲酸苯酯， HOC6H4COOC6H5，熔点：42-44o C）；9、去离子水；10、药勺；11、烧杯；12、玻璃棒；13、滴管；14、培养皿；15、量筒；16、投影仪。 三、实验原理 （1）溶解度 一定的温度下，在一定量的水中，所能溶解的溶质量是有限的，常用溶解度来表示。溶解度指的是，在一定温度下，某固态物质在100g水中达到饱和状态时所溶解的质量。图一和图二分别是碘化镉和氯酸钠的溶解度曲线（数据见表一和表二）。大多数固体物质的溶解度随温度的升高而增大。因此利用较高温度配置溶液达到饱和后，再降低温度，水溶液在高温中溶解度较高，一旦降温后，溶解度也降低，但溶质的量不减，因此，水溶液的浓度大于最大溶解度，此时的溶液成为“过饱和溶液”。过饱和溶液是一种不稳定状态，过量的溶质会结晶析出而成为饱和溶液。常利用此种方法进行结晶提纯。另外随着溶剂水分的蒸发，饱和溶液浓度逐渐变浓而达到饱和，继而也会开始结晶。降温和溶剂蒸发是晶体结晶的两种最主要的方式。
图一碘化镉的溶解度曲线 图二氯酸钠的溶解度曲线
（2）晶体生长过程 图三晶体的生长机制与驱动力的关系 一般认为晶体从液相或气相中的生长有三个阶段：1、介质达到过饱和、过冷却阶段；2、成核阶段；3、生长阶段。晶体的外形以及表面形态与晶体生长过程中的驱动力有关，当驱动力很小时，晶体的生长模式为缺陷生长，形成多面体外形，表面呈现以生长源为中心的凸起；当驱动力增加到一定的程度，可以克服表面势垒时，就会出现形核生长，此时生成的晶体也大多成多面体，但表面往往出现中间凹陷的特征；进一步增大驱动力，晶体会从平滑的横向生长模式向垂直生长模式转化，因此晶体呈现枝晶等形状（见图三）。 在单位时间内，单位体积中所形成的核的数目称成核速度。它决定于物质的过饱和度或过冷却度。过饱和度和过冷却度越高，成核速度越大。成核速度还与介质的粘度有关，粘度大会阻碍物质的扩散，降低成核速度。晶核形成后，将进一步成长，其生长速度与驱动力直接相关。 （3）枝晶的生长过程 熔点较低的室温下为固体的有机晶体加热到熔点以上时，则会熔融成液体。在载玻片上放上少量的有机晶体，将其放在加热套上加热，使有机晶体熔融，盖上盖玻片，在盖玻片的边缘放上一点有机晶体粉末，将其放在显微镜下观察。随
晶体缺陷概述
晶体缺陷概述 高康 （中南大学材料科学与工程学院长沙） 摘要晶体缺陷在材料科学中具有重要的理论和实践意义，本文概述了晶体缺陷的主要类型，包括空位、位错和界面等，以及它们的存在方式、运动、相互作用和实际应用等。 关键词晶体缺陷空位位错界面运动自由能 1 引言 在实际晶体中，原子排列并不都是规则和完整的，而是在某些区域存在着紊乱和不规则的排列，这些区域被统称为“晶体缺陷”。 通常，晶体缺陷可以分为三大类：点缺陷，属于零维缺陷，比如空位、间隙原子和异类原子等；线缺陷，属于一维缺陷，主要是位错；面缺陷，属于二维缺陷，比如晶界、相界、层错和表面等。 晶体缺陷在材料科学中具有重要意义，是材料设计和加工工艺的重要理论来源。 2点缺陷概述 在点缺陷中，最为普遍存在的是空位。空位可以根据形式方式分为两类，一种是Schottky 空位，这种空位是由于脱位原子进入其他空位或逐渐迁移至晶界或表面而形成的；另一种是Frenkel空位，这种空位是由于原来处于这个位置的原子挤入结点的空隙而形成间隙原子形成的。 空位是由于原子的热运动产生的，根据统计热力学原理，空位的浓度主要取决于温度，并且在一定的温度下存在着一定的平衡空位浓度。所谓的平衡空位浓度是指，在该浓度下，体系自由能是最低的。平衡空位浓度可以表示为Cv=A·exp（-u/k/T），其中A是材料常数，k是玻尔兹曼常数，T是体系的热力学温度，u是空位形成能。 空位不是静止不动的而是可以借助热激活产生迁移的，空位迁移的实质是周围原子的逆向运动，这种运动需要克服一个“势垒”，即空位迁移能。空位的迁移在实际应用中具有重大意义，晶体中原子的扩散过程与空位迁移有着千丝万缕的关系，空位机制是扩散微观机制中最为重要的一种，尤其是在置换固溶体的互扩散过程中，Kirkendall效应证明了这一点。在材料加工工艺过程中，如均匀化处理、化学热处理、时效等都与扩散有着紧密联系，提高工艺处理温度可以大幅度加快这些过程的速率，也正是基于空位浓度和迁移速度随温度上升而升高的规律。在高温下，空位的存在及其运动是晶体发生高温蠕变的重要原因之一。 3线缺陷概述 在线缺陷中，最普遍存在的事位错，基本类型是刃型位错和螺型位错，实际位错往往是两种位错的混合，称为混合位错。刃型位错是由一个多余半原子平面形成的线缺陷，其柏氏矢量垂直于位错线，形状可以是直线、折线和曲线；螺型位错是原子错排呈轴对称的一种线缺陷，其柏氏矢量平行于位错线，形状只能是直线。 位错线周围的原子偏离了平衡位置，点阵发生畸变，此畸变能的增量称为位错应变能。位错还会与周围的晶体缺陷发生交互作用：点缺陷在晶体中会引起点阵畸变，产生的应力场可与位错产生交互作用，通常把溶质原子与位错交互作用后，围绕位错而形成的溶质原子聚