引言---晶体缺陷和强度
固态物理学中的晶格缺陷和杂质
固态物理学中的晶格缺陷和杂质引言在固态物理学中，晶体是研究的重点之一。
晶体是由一定规则排列的原子或分子构成的，具有高度有序的结构。
然而，在实际应用和生产过程中，晶体中常常存在着各种各样的缺陷和杂质。
本文将通过对晶格缺陷和杂质的探讨，展示它们在固态物理学中的重要性和影响。
一、晶格缺陷1. 点缺陷点缺陷是晶体中最简单的缺陷形式。
它们可以是缺失了一个或多个原子的位置，或者是插入了一个或多个附加原子的位置。
点缺陷的存在对晶体的物理性质和化学性质产生重要影响。
例如，空位缺陷是一种常见的点缺陷形式。
晶体中的空位缺陷可以使晶体的导电率降低或增加，因为它们可以提供自由的电子或空穴用于电荷传输。
此外，空位缺陷还会对晶体的热导率、力学性能和光学性质产生影响。
2. 线缺陷除了点缺陷，还存在着线缺陷。
线缺陷是晶体中原子排列顺序的局部改变，通常形成晶体中的界面或晶体中的位错。
位错是晶体中最常见的线缺陷形式之一。
位错不仅可以改变晶体的力学性质，还可以影响晶体的导电性、热导性和光学性质。
事实上，位错是材料的强度和塑性的重要起因之一，它能够在晶体中改变原子的排列，从而使材料具有更好的弯曲性和延展性。
3. 面缺陷晶体中的面缺陷是晶格缺陷中最复杂的形式之一。
它们包括晶面、晶粒边界和相界面等。
晶面是晶体中平面的缺陷形式。
晶面的存在会对晶体的力学性质、电子性质和表面化学反应等产生影响。
例如，晶面的形状和取向可能会决定晶体的光学性质和生长方向。
晶粒边界是由不同晶粒之间的界面构成的。
晶粒边界可以影响材料的结晶度、导电性和塑性等。
相界面是晶体中不同相之间的界面。
相界面的存在可以导致晶体中出现相变、形成新的晶体结构和改变材料的热导性、力学性质和电子性质等。
二、晶格杂质除了晶格缺陷，杂质也是固态物理学中重要的研究对象。
杂质是指处于晶体中的与晶体中原子组成和排列不同的原子或分子。
杂质的存在对晶体的性质产生显著影响。
它们可以改变晶体的电子能带结构、晶格常数和电子性质等。
aln的晶体结构
aln的晶体结构1. 引言aln（氮化铝）是一种重要的宽禁带半导体材料，具有广泛的应用前景。
其晶体结构对其性质和应用起着决定性的影响。
本文将详细介绍aln的晶体结构，包括其晶格结构、原子排列和晶体缺陷等方面。
2. 晶格结构aln属于六方晶系，具有六角密堆积结构。
其晶格参数为a=b=3.112 Å，c=4.982 Å，α=β=90°，γ=120°。
在六角密堆积结构中，每个原子占据了三个不同的位置：A、B和C位。
3. 原子排列在aln的晶格中，铝原子（Al）占据了A和C位，氮原子（N）占据了B位。
Al和N原子通过共价键相连形成了稳定的晶体结构。
由于Al和N原子具有不同的尺寸，因此在实际晶体中存在着一定程度的畸变。
4. 晶体缺陷aln晶体中常见的缺陷有点缺陷、线缺陷和面缺陷。
点缺陷包括空位、间隙原子和杂质原子等。
线缺陷主要有脆性断裂、晶体位移和晶界等。
面缺陷包括晶界和层错。
5. 物理性质aln具有优异的物理性质，主要包括以下几个方面：5.1 带隙aln的带隙为大约6 eV，属于宽禁带半导体材料。
这使得aln在高温、高功率和高频率电子器件中具有广泛的应用前景。
5.2 热导率由于其晶格结构的特殊性，aln具有优异的热导率。
在常温下，其热导率可达到140 W/m·K，远高于其他半导体材料。
5.3 光学性质aln对紫外光具有较高的吸收能力，并且在可见光范围内表现出良好的透明性。
这使得aln在光电器件领域具有广泛应用的潜力。
6. 应用领域基于aln的晶体结构和优异物理性质，该材料在多个领域都有重要的应用，包括：6.1 电子器件由于aln具有宽带隙和高热导率等特点，该材料在高温、高功率和高频率电子器件中具有广泛应用。
例如，aln可用作功率放大器、射频开关和高频电感等元件。
6.2 光电器件aln的优异光学性质使其成为制备紫外光探测器、激光二极管和紫外光发光二极管等光电器件的理想材料。
晶格畸变程度与缺陷-概述说明以及解释
晶格畸变程度与缺陷-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述晶格畸变程度与缺陷是材料科学领域中非常重要的研究内容。
晶格畸变程度描述了晶体中原子或离子位置的偏离理想晶格点的程度，而缺陷则是指晶体中存在的不完整或不正常的位置、原子、离子或结构单元。
在材料科学中，晶格畸变程度和缺陷的相互关系对于了解材料性能的起源和调控具有重要意义。
晶格畸变程度可以作为评估材料质量和稳定性的重要参数。
它反映了材料的结构完整性、晶体缺陷的数量和分布、材料中存在的变形应力等。
而缺陷则是导致材料性能变化的主要原因之一。
晶格畸变程度和缺陷之间存在着紧密的相互关系。
缺陷引起的晶格畸变可以导致材料的物理和化学性质发生变化，例如晶格常数的改变、晶体结构的变化等。
而晶格畸变程度也会对缺陷的形成和行为产生影响，例如影响点缺陷的生成和扩散、晶体缺陷的稳定性等。
本文将重点讨论晶格畸变程度与缺陷之间的关系及其影响机制。
首先，将详细介绍晶格畸变程度的定义和原理，包括晶体中原子、离子位置的偏离程度和晶胞参数的改变。
其次，将探讨影响晶格畸变程度的因素，如温度、应力、杂质等。
然后，将进一步研究缺陷引起的晶格畸变和晶格畸变对缺陷的影响，包括点缺陷、线缺陷和面缺陷等。
最后，将总结晶格畸变程度与缺陷的关系，并探讨这一研究的意义和未来的展望。
通过本文的研究，将有助于更深入地理解晶格畸变程度与缺陷之间的相互作用，为材料设计和制备提供理论指导，进一步优化材料性能和开发新型功能材料。
1.2文章结构1.2 文章结构本文将按照以下结构进行展开讨论晶格畸变程度与缺陷之间的关系。
2. 正文：2.1 晶格畸变程度2.1.1 定义和原理在这一部分，我们将介绍晶格畸变程度的定义和基本原理。
晶格畸变程度是指晶体中晶格点与理想晶格点之间的差异程度。
我们将解释晶格畸变程度的计算方法，并探讨不同种类晶体的晶格畸变程度的特点。
2.1.2 影响因素这一小节将探讨影响晶格畸变程度的因素。
我们将讨论温度、应力、化学成分和外界条件等因素对晶格畸变程度的影响，并详细分析它们与晶格畸变程度之间的关系。
顾宜《材料科学与工程基础》课后题答案
顾宜《材料科学与工程基础》课后题答案第一章：引言1.1 材料科学与工程基础的重要性材料科学与工程基础是现代工程领域不可或缺的一门基础课程。
它包括了材料科学与工程学科的基本原理和方法，为后续学习和研究提供了必要的基础知识。
材料是任何工程的基础，它在各个领域中都扮演着重要角色，如机械工程、电子工程、航空航天工程等。
因此，熟悉材料的结构、性质和应用对于工程师来说至关重要。
1.2 材料科学与工程基础的学习目标材料科学与工程基础的学习目标如下： - 理解材料的基本概念和分类方法； - 掌握材料制备、表征和性能分析的基本技术； - 理解不同材料的特性和应用； - 开发解决材料工程问题的能力。
第二章：晶体结构与晶体缺陷2.1 晶体的结构晶体是由原子、离子或分子按照一定的排列方式组成的长程有序固体结构。
晶体的结构可以通过晶体的晶胞来描述，晶胞是最小的重复单元。
2.2 晶体的缺陷晶体的缺陷指的是在晶体结构中存在的不完整或不规则的区域。
晶体的缺陷可以分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种类型。
点缺陷包括空位、插入原子和替代原子等。
线缺陷包括位错和脚位错。
面缺陷包括晶界和层错。
第三章：物理性能与力学性能3.1 物理性能物理性能是指材料的一些基本物理特性，如密度、热导率、电导率等。
物理性能的好坏对材料的应用和工程设计具有重要影响。
3.2 力学性能力学性能是指材料在力学作用下的表现。
常见的力学性能包括强度、硬度、韧性、可塑性等。
力学性能的好坏决定了材料在工程中的使用范围和耐久性。
第四章：金属材料4.1 金属的结构与特性金属是指电子云密度较大、以金属键连接的材料。
金属的结构特点是具有密堆结构和离域电子特性。
4.2 金属的物理性能与力学性能金属材料具有良好的导电性、导热性和延展性，对磨损和腐蚀有较好的抵抗能力。
金属材料的力学性能受材料的组织和处理方式的影响。
第五章：陶瓷材料与玻璃材料5.1 陶瓷材料的分类与特性陶瓷材料是以非金属元素为主要成分的材料，分为晶体陶瓷和非晶态陶瓷两大类。
晶体缺陷简述
概要
一．引 言 二．晶体结构缺陷的类型 三．单晶硅中的缺陷 四．总 结
一、引言
固体在热力学上最稳定的状态是处于 0K 温度时的完整晶体状态，此时，其内部 能量最低。晶体中的原子按理想的晶格点阵排列。实际的真实晶体中，在高于 0K 的任 何温度下，都或多或少的存在着对理想晶体结构的偏离，即存在着结构缺陷。结构缺陷 的存在及其运动规律，对固体的一系列性质和性能有着密切的关系，因此掌握晶体缺陷 的知识是掌握材料科学的基础。
现已辨明，本征缺陷是空位和硅自填隙原子，但它们的浓度不同，而杂质尚不很清 楚，可能跟碳或氧有关。区熔单晶生长速度大于某一临界值时就观察不到这种缺陷。中心沉淀 物有时会导致位错和位错环的产生。在热氧化工艺中，氧化将优先发生在微缺陷处，并将导致 热氧化层错的产生，重金属杂质也容易在微缺陷处沉淀，所有这些都将给LSI器件带来不良影 响。
人有了知识，就会具备各种分析能力， 明辨是非的能力。 所以我们要勤恳读书，广泛阅读， 古人说“书中自有黄金屋。 ”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识， 培养逻辑思维能力； 通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平， 培养文学情趣； 通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。 有许多书籍还能培养我们的道德情操， 给我们巨大的精神力量， 鼓舞我们前进。
器件在热加工过程中原生位错 将诱发新位错，从而更严重地影响器 件性能。但在一定条件下，位错也有 一定的积极作用，比如它有助于合金 与硅片的沾润，在一定程度上能吸除 微缺陷和杂质。微缺陷微缺陷是一种 硅晶体中偏聚出来的本征点缺陷与杂 质聚集在一起的缺陷。
2、二维的面缺陷
面缺陷晶界在单晶生长时这种缺陷一般是可以避免的，但有时会在外延片中出现。 它是硅中最严重的结构缺陷，杂质极易在晶界处聚集足够高浓度，导致材料局部毁坏。即 使结晶时杂质不在此聚集，杂质在晶界上扩散也远远快于在体材料中。因此，存在晶界的 情况下，很难得到均匀的掺杂浓度分布。
材料基础-第四章固体材料的缺陷
例如，Fe的剪切模量大约100GPa，则理论剪切 模量应为3000MPa。但是，单晶体Fe的实际强度仅 为1－10MPa，晶面之间的滑移用相当小剪力就能移 动。理论值与实际值相差巨大。因而，人们就猜测 晶体中存在着象位错这样的线缺陷。 当时仅是理论上的一种推测，没有真正看到。 直到50年代，透射电镜（TEM）的研发成功，才从 实验中观察到实际的位错形貌。 当晶体的一部分相对于另一部分进行局部滑移 时，晶体的已滑移部分与未滑移部分的交界线形成 分界线，即位错，用TEM可观察到(见图4-4)。 位错主要分两种类型：刃型位错和螺型位错。
按晶体缺陷的几何特征，可以分成四种 基本类型：点缺陷、线缺陷(位错)、面缺陷 和体缺陷，如图4-1所示。 但需记住，这些缺陷只代表理想原子排 列中的缺陷。而实用上，为了获得所要求的 材料性能如强度、硬度、塑性等，有时要有 意地制造一些缺陷，即通过合金化、扩散、 热处理和表面处理，设计和控制这些缺陷。 因此，设计和控制晶体缺陷是改进产品 质量的关键，特别是对晶体生长以及使用过 程中控制缺陷的形成、类型以及变化，都是 极为重要的。
图4-3 晶格节点的置换原子
4. 点缺陷对材料性能的影响 在一般情况下，点缺陷主要影响晶体的物 理性质，如比容、比热容、电阻率等。 （1）比容 为了在晶体内部产生一个空位，需将该处 的原子移到晶体表面上，这就导致体积的增加。
（2）比热容 由于形成点缺陷，需向晶体提供附加的能 量(空位生成焓)，因而引起附加的比热容。
断裂，而不会沿垂直截面的方向断裂，原因在于 材料在变形过程中发生了滑移，如图4-10所示。
图4-10 单晶体的拉伸断裂 及晶面滑移形貌
这是因为，材料的塑性变形通常会沿着晶体原子 的密排方向滑移，见图4-11 外加拉应力、滑移方向和滑移面的关系
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。
晶体缺陷及其材料性能的影响
晶体缺陷及其对材料性能的影响摘要:所有的天然和人工晶体都不是理想的完整晶体，它们的许多性质往往并不决定于原子的规则排列，而决定于不规则排列的晶体缺陷。
晶体缺陷对晶体生长、晶体的力学性能、电学性能、磁学性能和光学性能等均有着极大影响，在生产上和科研中都非常重要，是固体物理、固体化学、材料科学等领域的重要基础内容。
研究晶体缺陷因此具有了尤其重要的意义。
本文着重对晶体缺陷及其对晶体的影响和应用进行阐述，以适应人们不同的实际需要和时代的发展需求。
关键词:晶体缺陷 ; 性能Crystal defect and it’s influence on the materialpropertiesAbstract All of the natural and artificial crystal is not ideal complete crystal, many of their properties are not always decide to the rules of at oms to arrange, but decide to the irregular arrangement in the crystal de fect. Crystal defect have an enormous influence to crystal growth, mecha nical properties of crystal, electrical properties, magnetic properties and o ptical properties, etc, they are very important in the production and resea rch, It is important content. to a basis research in the field of crystal def ect,such as solid physics, chemistry, material science,and so on. it so ha s been particularly important significance to solid. In order to adapt to the different actual needs and the development of The demand of Times.of people.This paper focuses on expounding the influence and the applica tion of the crystal defect and its impact on the crystal.Keyword crystal defect property1. 引言很早以前, 金属物理学家在研究金属的加工变形时就发现了晶体缺陷与金属的变形行为及力学性质有密切的关系。
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面心立方
简单四方
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体心四方
简单六方
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简单菱形
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简单正交 底心正交
体心正交
面心正交
简单单斜
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底心单斜
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简单三斜
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常见纯金属的晶格类型
体心立方晶格： 它的形状是一个立方体，其晶格常数a=b=c，所以只 要一个常数a即可表示；其α=β=γ=90o。在体心立方晶 胞中，原子位于立方体的八个顶角和中心，原子半径 为1.732a/4。属于这类晶格的金属有α-Fe、Cr、V、W、 Mo、Nb等。体心立方晶胞的每个角上的原子是同属 于与其相邻的八个晶胞所共有，故只有1/8个原子属于 这个晶胞。所以体心立方晶胞中的原子数为2。
• 在空间中由几何点排列成的无限阵列，其中每一点与其它所有 的这种点有完全相同的环境，这种点的阵列称为点阵，点阵中 规则排列的几何点称为阵点。
• 若从晶体的平移对称特性出发，则所有晶体对应着14种不同的 点阵，称为14种布拉菲点阵。
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晶格的14种型式
简单立方
体心立方
采用配位数和致密度（K）来表示。配位数是指 晶格中与任一原子处于相等距离并相距最近的原 子数目；致密度是指晶胞中原子本身所占的体积 百分数，即晶胞中所包含的原子体积与晶胞体积 （V）的比值。
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9
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10
晶体由许多质点（包括原子、离子或分子）在 三维空间呈周期性地规则排列所构成的固体。
无定形 无确定的熔点
各向同性
对X射线的衍射效应 无
对称性
无
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5
1.1 金属及合金的结构
金属材料是指以金属键来表征其特性的材料，它包括金 属及其合金。
金属材料在固态下通常都是晶体状态(金属玻璃除外)，所 以要研究金属及合金的结构就必须首先研究晶体结构。
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金属的变形是怎样产生的？
裂纹是怎么形成的？
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2
第一章 绪 言
晶体，非晶体？ 晶体缺陷？ 强度？ 晶体缺陷与强度？
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3
晶体，非晶体？
晶体
非晶体
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4
晶体与非晶体的区别
晶体
非晶体
规则几何外形 确定的熔点
各向异性
每个原子的最近邻原子数为8，所以其配位数为8。 致密度可计算如下： 或68%。
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致密度=晶胞内原子的体积/晶胞体积（100%)
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面心立方晶格
面心立方晶胞如图所示。它的形状也是一 个立方体。在面心立方晶胞中，原子位于立方 体的八个顶角和六个面的中心。属于这类晶格 的金属有γ-Fe、Al、Cu、Ni、Au、Ag、Pb等。 从图中可算出面心立方晶体的原子半径为 1.414a/4；每个晶胞所包含的原子数为4个；配位 数为12；致密度为0.74或74%。
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晶体缺陷分类
第一章 绪言
按照晶体缺陷区相对晶体的大小，可将晶体缺陷分为:
点缺陷（0-dimensional defects）
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密排六方晶格
密排六方晶胞如图所示。它是一个正六面 柱体，在晶胞的12个角上各有一个原子，上底 面和下底面的中心各有一个原子，上下底面的 中间有三个原子。属于这类晶格的金属有Mg、 Zn、Be、Cd等。其晶格常数用正六边形底面的 边长a和晶胞的高度c来表示。两者的比值 c/a≈1.633；其原子半径；每个晶胞所包含的原 子数为6个；配位数为12；致密度为0.74或74%。
晶体缺陷与强度
Crystal Defect and Strength
王建华
材料科学与工程学院
2010.09.12
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Have You Ever Wondered? 为什么制造半导体的硅晶体含有大量的掺杂，
如磷或硼？
为什么能制造比纯铁硬度和强度高的钢呢？
为什么面心立方金属（如铜、铝等）比体心立 方和密排六方金属的塑性好呢？
晶体与非晶体的主要区别在于它们是否有三维 长程有序的原子结构。
晶体的基本共性： ➢ 均匀性 ➢ 各向异性 ➢ 自限性 ➢ 对称性 ➢ 固定的熔点
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11
晶体的基本对称性
• 对称性是晶体最重要的基本特征之一。
• 对称操作
➢ 使各原子的位置发生变换，变换后晶体的结构状态与变 换前正好相同的操作。
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6
晶体的基本概念
晶体结构指晶体内部原子规则排列的方式。 晶体结构不同，其性能往往相差很大。为了便 于分析研究各种晶体中原子或分子的排列情况， 通常把原子抽象为几何点，并用许多假想的直 线连接起来，这样得到的三维空间几何格架称 为晶格，晶格中各连线的交点称为结点。
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7
组成晶格的最小几何单元称为晶胞，晶胞各边的尺寸 a、b、c称为晶格常数，其大小通常以为计量单位 （A），晶胞各边之间的相互夹角分别以α、β、γ表示。
由于晶体中原子重复排列的规律性，因此晶胞可以表 示晶格中原子排列的特征。
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在研究晶体结构时，通常以晶胞作为代表来考查。 为了描述晶格中原子排列的紧密程度，通常
• 晶体基本的对称操作有点操作和平移操作。
➢ 点对称操作：在对称操作过程中保持空间至少有一个不 动点的操作。
➢ 根据实际晶体主要的点对称特征可以把所有晶体划分成
7种晶系，即三斜、单斜、正交、四方、立方、三方、
六方。
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晶体结构沿晶体单胞边长方向a、b、 c作平移操作，平移量为边长的整数倍，且平移前后晶体结构 状态相同。
19.01.2021
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第一章 绪言
1.2 晶体缺陷概述
晶体缺陷是指实际晶体晶体结构中和理想的点阵结构发 生偏差的区域。即在某些局部区域，原子排列是紊乱、 不规则的，这些原子排列规则性受到严重破坏的区域统 称为“晶体缺陷”。 相对于理想晶体结构的周期性和方向性而言，晶体缺陷 显得十分活跃，它的状态易受外界的影响，晶体缺陷的 数量及分布对材料的行为有十分重要的作用 。