晶体点缺陷的形成和分类
晶格的缺陷
晶格的缺陷晶格的缺陷是指晶体结构中存在的各种不完美或异常的位置或排列。
这些缺陷对晶体的物理、化学性质以及材料的性能都会产生重要影响。
本文将从点缺陷、线缺陷和面缺陷三个方面，介绍晶格缺陷的种类、产生原因以及对材料性能的影响。
一、点缺陷1. 点缺陷是指晶体中原子或离子的位置发生变化或缺失。
常见的点缺陷有原子间隙、空位、间隙原子、杂质原子等。
2. 原子间隙是指晶体中存在的原子无法占据的空间，通常是由于晶格结构的不完美而形成。
原子间隙的存在会导致晶体的密度降低，同时对电子和热的传导产生影响。
3. 空位是指晶体中原子位置上缺失了一个原子。
空位会导致晶格的局部变形，降低晶体的机械强度和热稳定性。
4. 间隙原子是指晶体中存在的非晶体或空气中的原子进入了晶体中的间隙位置。
间隙原子的存在会改变晶体的电子结构和热导率。
5. 杂质原子是指晶体中存在的与晶格原子不同种类的原子。
杂质原子的加入会改变晶体的导电性、磁性以及光学性质。
二、线缺陷1. 线缺陷是指晶体结构中存在的一维缺陷，通常是晶体中原子排列发生错位或缺失。
2. 赝位错是指晶体中两个晶格面之间的原子排列发生错位，即晶体中的原子位置发生了偏移。
赝位错会导致晶体的机械强度下降，同时也会引起晶体的局部形变。
3. 堆垛错是指晶体中两个晶格面之间的原子排列发生缺失或添加。
堆垛错会导致晶体局部的结构畸变，进而影响晶体的热稳定性和电子传导性能。
4. 螺错是指晶体中原子排列沿晶体的某一方向发生了扭曲，形成了一种螺旋形的缺陷。
螺错会导致晶体的机械强度下降，同时也会引起晶体的局部形变。
三、面缺陷1. 面缺陷是指晶体结构中存在的二维缺陷，通常是晶格面的错位、缺失或添加。
2. 晶界是指晶体中两个晶粒之间的界面。
晶界是晶体中最常见的面缺陷，其形成原因包括晶体生长过程中的结晶不完全以及晶体在变形过程中的再结晶。
晶界会对晶体的力学性能、电学性能以及化学反应产生显著影响。
3. 双晶是指晶体中存在两个晶界的结构。
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。
晶体的点缺陷类型
晶体中的点缺陷包括以下类型：
1. 空位（Vacancy）：晶体中原本应该存在的原子位置上没有原子，称为空位。
空位可以通过电子缺陷或位错移动形成，它的晶格符号是V。
2. 间隙原子（Interstitial）：晶体中存在原子的位置上没有原子，而是存在一个额外的原子，称为间隙原子。
间隙原子可以通过原子扩散或晶体生长过程中的缺陷移动形成，它的晶格符号是I。
3. 置换原子（Substitution）：晶体中原本存在的原子被另一种原子替代，称为置换原子。
置换原子可以通过化学反应或高温高压下形成，它的晶格符号是X。
4. 原子缺失（Missing atom）：晶体中原本存在的原子缺失，形成一个空位，称为原子缺失。
原子缺失可以通过缺陷迁移、缺陷产生和晶体生长过程中的缺陷形成，它的晶格符号是V。
5. 缺陷线（Dislocation）：晶体中原本存在的原子排列被破坏，形成一条线状的缺陷，称为缺陷线。
缺陷线可以通过晶体生长、外力作用和高温高压等因素形成，它的晶格符号是D。
6. 位错（Dislocation）：晶体中原本存在的原子排列被扭曲，形成一条线状的缺陷，称为位错。
位错可以通过外力作用和晶体生长过程中的缺陷形成，它的晶格符号是D。
7. 扭曲（Twist）：晶体中原本存在的原子排列被扭曲，形成一条线状的缺陷，称为扭曲。
扭曲可以通过外力作用和晶体生长过程中的缺陷形成，它的晶格符号是T。
8. 晶界（Grain Boundary）：晶体中两个或多个晶粒的交界面，称为晶界。
晶界可以通过晶体生长过程中的缺陷形成，它的晶格符号是GB。
第一节晶体中的点缺陷
实测的一些金属的空位形成能△Ev。
金属
Au Ag Cu Pt Al W Pb
△Ev(ev) 0.94 1.06 1.06 1.50 0.75 3.50 0.50
间隙原子引起的畸变较空位大的多，间 隙原子的形成能较空位形成能大几倍。
Cu晶体的间隙原子形成能约3.00ev，是 其空位形成能的2.83倍。
e kT k
)
A'e(
E'v kT
)（2-2）
ne、ne′— 平衡空位和平衡间隙原子的数目； N — 阵点总数； k — 玻尔兹曼常数。
△EV、△EV′— 空位形成能和间隙原子形成能； △Sv、 △Sv′— 相应的振熵变化。
A、A′— 由振动熵决定的系数，其值约在1~10之间， 方便计算时可取A=1；
配位数：12 致密度：0.74
a=√2d
晶胞体积a3，晶胞内的原子数4
体积L3中的空位数=1/8×8=1，单位体积内的空位数为 1/L3=nv， L3=1/nv
四、过饱和空位
过饱和空位：晶体中数量超过了其平 衡浓度的空位。
过饱和空位将对晶体的性能产生影响。 产生过饱和空位的方法： ❖ 高温淬火 ❖ 冷加工 ❖ 辐照
五、点缺陷的运动
空位在晶体中的分布是一个动态平衡，其不断地与 周围原子交换位置。
例如：空位周围的原子，由于热振动的能量起伏， 而获得足够的能量跳入空位，并占据这个平衡位置， 在这个原子原来的位置上，就形成一个空位。
这一过程可看成是空位向邻近阵点位置的迁移。
空位的移动
空位迁移能：空位迁移必须获得的能量△Em。 可通过实验方法测定。例如：
分类：
空位：晶体内部的原子离开其平衡位置后, 留下的原子尺度的空洞。
第一章 晶体中的点缺陷课件
N!
lnln N!
(N n)!n!
(Nn)!n!
由stirling(斯特林)公式，当x很大时，ln x!xln xx
则：S 0 K [ N l n N ( N n ) l n ( N n ) n l n n ]
第一章 晶体中的点缺陷
F = n u f K T [ N l n N ( N n ) l n ( N n ) n l n n ] n T S f
一.自由电子能量的变化
1.势能的变化： E 1
E f — 系统的弗米能
2 3
Ef
Ef
h2
(3Ne
2
)3
8m V
弗米能:①在T时，能量为E的质点出现几率为1 2 的能量 。 ②反映系统的总能量在组成质点之间的分配情况。
第一章 晶体中的点缺陷
2.动能的变化：
2 E2 5 Ef
二.不同点缺陷的形成能
● 对大多数简单晶体,单空位形成能
uE 1E 22 3E F5 2E F1 4 5E F
● 在Tm附近,热平衡空位和间隙原子最大浓度分布为 10－4～10－8数量级。
第一章 晶体中的点缺陷
§1.4 点缺陷的运动
（一）空位的迁移
空位的迁移、间隙原子迁移能—原子扩散激活能
空位迁移的几率:
Sm Em
jZe Ke KT
第一章 晶体中的点缺陷
2.pearson符号
cF－用一个小写字母＋大字母表示。 c－晶系第一个英文字母的字头
三斜：Triclinic <Anorthic>, 单斜：Monoclinc， 正交（斜方）：Orthogonal， 四方（正方）：Tetragonal， 立方：Cubic， 六方：Hexagonal， 菱形：Rhombohedral）
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。
晶体结构缺陷
4）溶质原子：LM表达L溶质处于M位置，SX表达S溶质处 于X位置。 例：Ca取代了MgO晶格中旳Mg写作CaMg， Ca若填隙在MgO晶格中写作Cai。
5）自由电子及电子空穴：自由电子用符号e′表达。电子空 穴用符号h·表达。它们都不属于某一种特定旳原子全部， 也不固定在某个特定旳原子位置。
VO••
3OO
1 2
O2
例2：CaCl2溶解在KCl中：
产生K空位 ，合 理
CaCl2 KCl CaK• VK' 2ClCl
CaCl2 KCl CaK• Cli' ClCl
Cl-进入填隙位， 不合理
CaCl2 KCl Cai•• 2VK' 2ClCl
Ca进入填 隙位，不合
理
例3：MgO溶解到Al2O3晶格内形成有限置换型固溶体：
荷。为了保持电中性，会产生阴离子空位或间隙阳离子； 2、高价阳离子占据低价阳离子位置时，该位置带有正电
荷，为了保持电中性，会产生阳离子空位或间隙阴离子。
举例：
例1：TiO2在还原气氛下失去部分氧，生成TiO2-x旳反应能 够写为：
2TiO2
2TiT' i
VO••
3OO
1 2
O2
2Ti
4OO
2TiT' i
克罗格-明克符号系统
1、 缺陷符号旳表达措施 （以MX离子晶体为例） 1）空位：VM和VX分别表达M原子空位和X原子空位，V表达缺陷种类，
下标M、X表达原子空位所在位置。
VM〞=VM +2eˊ VX‥ = VX +2 h·
2）填隙原子：Mi和Xi分别表达M及X原子 处于晶格间隙位置 3）错放位置：MX表达M原子被错放在X位置上， 这种缺陷较少。
晶体结构中的点缺陷及其对材料性能的影响
晶体结构中的点缺陷及其对材料性能的影响晶体是由原子或离子有序排列形成的固体材料。
在晶体结构中，点缺陷是一种常见的现象，它们对材料的物理和化学性质产生重要影响。
本文将探讨晶体结构中的点缺陷类型、形成原因以及对材料性能的影响。
晶体结构中的点缺陷可以分为两类：点陷和点间隙。
点陷是指晶体中存在于正常原子位置的替代物质或空位，而点间隙是指晶体中存在于正常间隙位置的其他原子或离子。
这些点缺陷的形成原因多种多样，可以是热运动、化学反应、辐射等外部因素的影响，也可以是由于材料的缺陷或不均匀性引起的。
例如，晶体中的离位原子可以通过热扰动从正常位置移动到别的位置，形成点陷；而晶体中的离位原子可以通过化学反应与其他原子或离子结合，形成点间隙。
点缺陷对材料性能的影响是多方面的。
首先，点缺陷可以改变材料的电子和磁性质。
以半导体材料为例，点陷在晶格中引入杂质原子，改变了材料的导电特性。
某些点缺陷也可以改变晶体的磁性质，使材料成为磁性材料。
其次，点缺陷可以影响晶体的力学性能。
晶体中的点缺陷可以导致材料的塑性变形，使其更易于发生变形或破裂。
点缺陷还可以改变材料的硬度、弹性模量等力学性质。
此外，点缺陷还可以影响材料的热性能。
晶体中的点缺陷可以影响材料的热导率和热膨胀系数，从而改变材料的热稳定性和导热性能。
点缺陷的类型和浓度对材料性能的影响是复杂的。
在某些情况下，点缺陷的存在可以改善材料的性能。
例如，通过控制点陷的添加量和类型，可以提高材料的导电性能。
在半导体材料中，适量的杂质原子可以形成能带结构，增加载流子浓度，从而提高材料的导电性能。
此外，点缺陷也可以增加材料的缺陷耐力，改善材料的抗拉强度和韧性。
然而，过量的点缺陷或不适当的类型可能导致材料性能的恶化。
过多的点陷会导致材料的电导率降低，抗拉强度和硬度下降。
过多的点间隙会导致材料内部空隙增多，从而降低材料的密度和强度。
综上所述，晶体结构中的点缺陷是一种常见的现象，对材料的物理和化学性质产生重要影响。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
类型
• 晶体结构中质点排列的某种不规则性或不 完善性。又称晶格缺陷。表现为晶体结构 中局部范围内，质点的排布偏离周期性重 复的空间格子规律而出现错乱的现象。根 据错乱排列的展布范围,分为下列3种主要类 型。
• ①点缺陷，只涉及到大约一个原子大小范 围的晶格缺陷。它包括:晶格位置上缺失正 常应有的质点而造成的空位;由于额外的质 点充填晶格空隙而产生的填隙；由杂质成 分的质点替代了晶格中固有成分质点的位 置而引起的替位等（图1）。在类质同象混 晶中替位是一种普遍存在的晶格缺陷。
• ②线缺陷—位错 位错的概念1934年由泰勒提出 到1950年才被实验所实具有位错的晶体结构， 可看成是局部晶格沿一定的原子面发生晶格的 滑移的产物。滑移不贯穿整个晶格，晶体缺陷 到晶格内部即终止，在已滑移部分和未滑移部 分晶格的分界处造成质点的错乱排列，即位错。 这个分界外，即已滑移区和未滑移区的交线， 称为位错线。位错有两种基本类型：位错线与 滑移方向垂直，称刃位错，也称棱位错；位错 线与滑移方向平行，则称螺旋位错。刃位错恰 似在滑移面一侧的晶格中额外多了半个插入的 原子面，后者在位错线处终止（图2）。螺旋 位错在相对滑移的两部分晶格间产生一个台阶， 但此台阶到位错线处即告终止，整个面网并未 完全错断，致使原来相互平行的一组面网连成 了恰似由单个面网所构成的螺旋面。
晶体点缺陷的形成和分类
晶体缺陷
• 在理想完整的晶体中，原子按一定的次序 严格地处在空间有规则的、周期性的格点 上。但在实际的晶体中，由于晶体形成条 件、原子的热运动及其它条件的影响，原 子的排列不可能那样完整和规则，往往存 在偏离了理想晶体结构的区域。这些与完 整周期性点阵结构的偏离就是晶体中的缺 陷，它破坏了晶体的对称性。
产生原因
• 晶体缺陷有的是在晶体生长过程中，由于 温度、压力、介质组分浓度等变化而引起 的；有的则是在晶体形成后，由于质点的 热运动或受应力作用而产生。它们可以在 晶格内迁移，以至消失；同时又可有新的 缺陷产生。
性质
• 晶体缺陷的存在对晶体的性质会产生明显 的影响。实际晶体或多或少都有缺陷。适 量的某些点缺陷的存在可以大大增强半导 体材料的导电性和发光材料的发光性，起 到有益的作用；而位错等缺陷的存在，会 使材料易于断裂，比近于没有晶格缺陷的 晶体的抗拉强度，降低至几十分之一。
• ③面缺陷，是沿着晶格内或晶粒间的某个面两侧大 约几个原子间距范围内出现的晶格缺陷。主要包括 堆垛层错以及晶体内和晶体间的各种界面，如小角 晶界、畴界壁、双晶界面及晶粒误堆垛 的现象。如一系列平行的原子面,原来按 ABCABCABC……的顺序成周期性重复地逐层堆垛，如 果在某一层上违反了原来的顺序，如表现为 ABCABCAB│ABCABC……,则在划线处就出现一个堆垛 层错，该处的平面称为层错面。堆垛层错也可看成 晶格沿层错面发生了相对滑移的结果。小角晶界是 晶粒内两部分晶格间不严格平行，以微小角度的偏 差相互拼接而形成的界面。它可以看成是由一系列 位错平行排列而导致的结果。在具有所谓镶嵌构造 的晶格中，各镶嵌块之间的界面就是一些小角晶界。 也有人把晶体中的包裹体等归为晶体缺陷而再分出 一类体缺陷。 • ④体缺陷：体缺陷主要是沉淀相、晶粒内的气孔和 第二相夹杂物等。