[课件]材料科学基础 第三章晶体缺陷PPT
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3_《材料科学基础》第三章_晶体结构缺陷((上)
T：绝对温度
n exp( G f )
N
2kT
一对正负离子空位形成能(J)
玻尔兹曼常数K=1.38x10-23
n exp( G f )
N
2RT
一摩尔正负离子空位形成能(J)
气体常数 R=8.314
结论：缺陷浓度与缺陷形成能△Gf、温度T密切相关。
思考
单质晶体、MX型晶体的弗伦克尔缺陷缺陷浓度：1ev=1.6x10-19J
例：MgO形成肖特基缺陷 0 VM'' g VO..
浓度
定义：晶格热振动时，正常结点上的原子（离子）跳入间隙， 形成间隙原子；原来位置形成空位。
特点：空位与间隙原子成对出现;体积不发生变化
例：AgBr形成弗伦克尔缺陷 Ag Ag Ag.i VA' g
一般规律：
当晶体中剩余空隙比较小，如NaCl型 结构，容易形成肖特基缺陷；当晶体中剩 余空隙比较大时，如萤石CaF2型结构等， 容易产生弗仑克尔缺陷。
点缺陷（零维缺陷）--原子尺度的偏离.
按 缺
例：空位、间隙原子、杂质原子等
陷 线缺陷（一维缺陷）--原子行列的偏离.
的
例：位错等
几 何
面缺陷（二维缺陷）--表面、界面处原子排列混乱.
形
例：表面、晶界、堆积层错、镶嵌结构等
态 体缺陷（三维缺陷）--局部的三维空间偏离理想晶体的周期性
例：异相夹杂物、孔洞、亚结构等
电荷缺陷
导带
F色心
e，
n型半导体
施主能级 （ e，导电 ）
受主能级
V色心
p型半导体 （ h• 导电 ）
h•
价带
负离子空位形成正电中心，吸引自由电子，形成F色心 正离子空位形成负电中心，吸引电子孔穴，形成V色心
3_《材料科学基础》第三章_晶体结构缺陷((上)
点缺陷（零维缺陷）--原子尺度的偏离.
按 缺
例：空位、间隙原子、杂质原子等
陷 线缺陷（一维缺陷）--原子行列的偏离.
的
例：位错等
几 何
面缺陷（二维缺陷）--表面、界面处原子排列混乱.
形
例：表面、晶界、堆积层错、镶嵌结构等
态 体缺陷（三维缺陷）--局部的三维空间偏离理想晶体的周期性
例：异相夹杂物、孔洞、亚结构等
1、 固溶体的分类
(1) 按杂质原子的位置分： 置换型固溶体—杂质原子进入晶格中正常结点位置而取代基
质中的原子。例MgO-CoO形成Mg1-xCoxO固溶体。 间隙型固溶体—杂质原子进入晶格中的间隙位置。
有时俩
(2)按杂质原子的固溶度x分： 无限（连续）固溶体—溶质和溶剂任意比例固溶(x=0~1)。
多相系统
均一单相系统
Compounds AmBn
原子间相互反应生成
均一单相系统
结构
各自有各自的结构
A structure
structure
+ B structure
结构与基质相同 A structure
结构既不同于A也不同于B New structure
化学计量 A/B
不定
固溶比例不定
m:n 整数比或接近整数比的一定范围内
四、固溶体Solid solution（杂质缺陷）
1、固溶体的分类 2、置换型固溶体 3、间隙型固溶体 4、形成固溶体后对晶体性质的影响 5、固溶体的研究方法
①固溶体：含有外来杂质原子的单一均匀的晶态固体。 例：MgO晶体中含有FeO杂质 → Mg1-xFexO
基质 溶剂 主晶相
杂质 溶质 掺杂剂
萤石CaF2(F-空位)
材料科学基础完整ppt课件
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
离子% 结 ）= [-1 e 合 -1 4(X A 键 X B )（ 2 1% 00
另一种混合键表现为两种类型的键独立 纯在例如一些气体分子以共价键结合，而 分子凝聚则依靠范德瓦力。聚合物和许多 有机材料的长链分子内部是共价键结合， 链与链之间则是范德瓦力或氢键结合。石 墨碳的上层为共价键结合，而片层间则为 范德瓦力二次键结合。
.
5
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
八.材料科学研究的内容：材料结构的基础知识、
晶体结构、晶体缺陷、材料的相结构及相图、材
料的凝固、材料中的原子扩散、热处理、工程材
料概论等主要内容。 .
子，因此，它们都是良好的电绝缘体。但当
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处在
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
高温熔融状态时，正负离子在外电场作用 下可以自由运动，即呈现离子导电性。
2.共价键
（1）通过共用电子对形成稳定结构
.
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经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
三.结论
1.原子核周围的电子按照四个量子数的规定 从低能到高能依次排列在不同的量子状态 下，同一原子中电子的四个量子数不可能 完全相同。
材料科学基础第三章晶体结构缺陷
四、固溶体Solid solution（杂质缺陷）
1、固溶体的分类 2、置换型固溶体 3、间隙型固溶体 4、形成固溶体后对晶体性质的影响 5、固溶体的研究方法
①固溶体：含有外来杂质原子的单一均匀的晶态固体。 例：MgO晶体中含有FeO杂质 → Mg1-xFexO
基质 溶剂 主晶相
杂质 溶质 掺杂剂
解：以C正a离C子l2为基准K，Cl缺陷反C应a方K程式V为K： 2C阴l离C子l 填隙
CaCl2
KCl
Ca
K
ClCl
Cli
以负C离a子C为l基2准，K缺C陷l反应C方a程i式 为：2V阳K离子空2位ClCl
CaCl2
2 KCl
Ca
K
格点数，不是原子个数 ，形成缺陷时，原子数会发生变化 e’、h•、Mi和Xi等不在正常格点上，对格点数的多少无影响
②质量平衡——反应前后质量不变（看主体）
③电荷平衡——反应式两边有效电荷相同（看上标）
举例
以杂质缺陷为例
杂质 基质产生的各种缺陷
例：写出CaCl2加入到KCl中的缺陷反应方程式
1、 固溶体的分类
(1) 按杂质原子的位置分： 置换型固溶体—杂质原子进入晶格中正常结点位置而取代基
质中的原子。例MgO-CoO形成Mg1-xCoxO固溶体。 间隙型固溶体—杂质原子进入晶格中的间隙位置。
有时俩
(2)按杂质原子的固溶度x分： 无限（连续）固溶体—溶质和溶剂任意比例固溶(x=0~1)。
Fundamentals of Materials Science
第一篇 结构与性质
第一章 晶体学基础 第二章 晶体结构 第三章 晶体结构缺陷 第四章 非晶态结构
第三章晶体缺陷-2016教材
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位错的运动-滑移，是有缺陷晶体的局部滑动
1、存在着某种缺陷---位错（dislocation） 2、位错的运动（逐步传递）=>晶体的逐步滑移
日常生活和大自然的启示=〉
小人移大毯！
毛毛虫的蠕动
2019/6/13
《材料科学基础》CAI课件-李克
11
（三）实验验证
证实：
依靠电子显微分析技术
20世纪50年代，电镜实验观察到螺旋位 错；位错等晶体缺陷因此得以成为六、 七十年代的研究热点。
（2）冷加工、高温淬火 （3）高能粒子辐照--产生过饱和缺陷
2019/6/13
《材料科学基础》CAI课件-李克
5
3.1.2、点缺陷的平衡浓度- （P85,86）课外
根据热力学原理，对空位、间隙原子平衡浓度进行推导， 得到：
C Aexp( Qf / RT )
C
A exp(
E
V
)
kT
（3.7）空位 （3.8）间隙原子
位错怎么运动？
晶体局部滑动的推进
运动前方：未滑动区域 运动后方：已滑动区域
分类：根据几何结构特征，分为刃型位错和螺型位错。
2019/6/13
《材料科学基础》CAI课件-李克
13
1. 刃型位错 edge dislocation
特征：
1）额外原子面， 刃口处的原子列称为位错线。半原子面 在上,正刃型位错 ┻ ；下为负刃型位错 ┳ 2）位错线-滑移区域边界线。不一定是直线，可以是折线， 也可以是曲线， 但位错线必与滑移矢量垂直。图3.5 3）位错线垂直于滑移矢量，位错线与滑移矢量构成的面 是滑移面， 刃位错的滑移面是唯一的。 4）刃型位错周围的晶体产生点阵畸变，上压， 下拉， 半 原子面是对称的， 位错线附近畸变大， 远处畸变小。 5）位错周围的畸变区一般只有几个原子宽（一般点阵畸 变程度大于其正常原子间距的1/4的区域宽度， 定义为位 错宽度， 约2~5个原子间距。） * 畸变区是狭长的管道， 故位错可看成是线缺陷。
无机材料科学基础 第三章晶体结构缺陷
2、造成晶体结构缺陷的原因:
实际晶体温度总是高于绝对零度(热缺陷) 实际晶体总是有限大小(表面/界面缺陷) 实际晶体总是含有或多或少的杂质(外来缺陷)
缺陷就是对于理想晶体结构的偏离
第三章晶体结构缺陷一
3、缺陷对于晶体的影响
影响晶体的电学以及力学性能 影响晶体内部质点的扩散 影响晶体的烧结和化学反应活性 形成非化学计量物质,改变材料的物理化学性能
杂质原子(掺杂原子)其量一般小于0.1%，进入主晶格后，因杂 质原子和原有的原子性质不伺，故它不仅破坏了原子有规则的 排列，而且在杂质原子周围的周期势场引起改变，因此形成一 种缺陷。
特点： A 杂质原子又可分为间隙杂质原子及置换杂质原子两种。前者
是杂质原子进入固有原子点阵的间隙中；后者是杂质原子替代 了固有原子。杂质原子在晶格中随机分布，不形成特定的结构。 B 晶体中杂质原子含量在未超过其固溶度时，杂质缺陷的浓度 与温度无关，这与热缺陷是不同的。
点缺陷的名称→
□←点缺陷所带的 有效电荷
× 中性 ● 正电荷
' 负电荷
○←点缺陷在晶体中占的位置
第三章晶体结构缺陷二
（ X原1）子空空位位：。用VM和Vx分别表示M原子空位和
（2）填隙原子：用Mi和Xi表示。 （3）错放位置：Mx表示M原子错放在X位置。 （4）溶质原子： LM表示L溶质处在M位置。 （5）自由电子及电子空穴：有些电子不一定
(1)弗伦克尔缺陷： 弗伦克尔缺陷可以看作是正常格点 离子和间隙位置反应生成间隙离子和空位的过程。
正常格点离子+未被占据的间隙位置〓间隙离子+空位
第三章晶体结构缺陷二
•例如在AgBr中，弗伦克尔缺陷的生成可写成：AgAg+Vi=Agi´+VAg · •由质量作用定律，
实际晶体温度总是高于绝对零度(热缺陷) 实际晶体总是有限大小(表面/界面缺陷) 实际晶体总是含有或多或少的杂质(外来缺陷)
缺陷就是对于理想晶体结构的偏离
第三章晶体结构缺陷一
3、缺陷对于晶体的影响
影响晶体的电学以及力学性能 影响晶体内部质点的扩散 影响晶体的烧结和化学反应活性 形成非化学计量物质,改变材料的物理化学性能
杂质原子(掺杂原子)其量一般小于0.1%，进入主晶格后，因杂 质原子和原有的原子性质不伺，故它不仅破坏了原子有规则的 排列，而且在杂质原子周围的周期势场引起改变，因此形成一 种缺陷。
特点： A 杂质原子又可分为间隙杂质原子及置换杂质原子两种。前者
是杂质原子进入固有原子点阵的间隙中；后者是杂质原子替代 了固有原子。杂质原子在晶格中随机分布，不形成特定的结构。 B 晶体中杂质原子含量在未超过其固溶度时，杂质缺陷的浓度 与温度无关，这与热缺陷是不同的。
点缺陷的名称→
□←点缺陷所带的 有效电荷
× 中性 ● 正电荷
' 负电荷
○←点缺陷在晶体中占的位置
第三章晶体结构缺陷二
（ X原1）子空空位位：。用VM和Vx分别表示M原子空位和
（2）填隙原子：用Mi和Xi表示。 （3）错放位置：Mx表示M原子错放在X位置。 （4）溶质原子： LM表示L溶质处在M位置。 （5）自由电子及电子空穴：有些电子不一定
(1)弗伦克尔缺陷： 弗伦克尔缺陷可以看作是正常格点 离子和间隙位置反应生成间隙离子和空位的过程。
正常格点离子+未被占据的间隙位置〓间隙离子+空位
第三章晶体结构缺陷二
•例如在AgBr中，弗伦克尔缺陷的生成可写成：AgAg+Vi=Agi´+VAg · •由质量作用定律，
材料科学基础第三章 晶体缺陷
贵州师范大学
化学与材料科学学院
SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY
贵州师范大学
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二、点缺陷的产生 1. 平衡点缺陷及其浓度 虽然点缺陷的存在使晶体的内能增高，但 同时也使熵增加，从而使晶体的能量下降。因 此，点缺陷是晶体中热力学平衡的缺陷。 等温等容条件下，点缺陷使晶体的亥姆霍 A U T S 兹自由能变化为：
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三、点缺陷与材料行为 1. 点缺陷的运动 1）空位的运动
2）间隙原子的运动 3）空位片的形成
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第三章 晶体缺陷
CRYSTAL DEFECTS
点缺陷 位错的基本概念 位错的弹性性质 作用在位错线上的力 实际晶体结构中的位错 晶体中的界面
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一、点缺陷的类型
点缺陷的类型: (a) Schottky 空位; (b) Frenkel 缺陷; (c) 异类间隙原子; (d) 小置换原子; (e) 大置换原子
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材料科学基础第三章晶体缺陷
和缺陷数量变化呈非线与振动熵有关的常数玻尔兹曼常数变化每增加一个空位的能量阵点总数平衡空位数exp点缺陷并非固定不动而是处在不断改变位置的运动过程空位周围的原子由于热振动能量的起伏有可能获得足够的能量而跳入空位并占据这个平衡位置这时在这个原子的原来位置上就形成一个空位
材料科学基础第三章晶体缺陷
本章要求掌握的主要内容
b. 由于存在着这两个互为矛盾的因素，晶体中的点缺陷在一定温度下有一定的平衡数目，这时点 缺陷的浓度就称为它们在该温度下的热力学平衡浓度。
c. 在一定温度下有一定的热力学平衡浓度，这是点缺 陷区别于其它类型晶体缺陷的重要特点。
图 空位-体系能量曲线
1.形成缺陷带来晶格应变，内能U增加，一个缺陷带来的内能
过饱和点缺陷（如淬火空位、辐照缺陷）还提高了 金属的屈服强度。
例1：Cu晶体的空位形成能Ev为1.44×10-19J/atom, 材料常数A取为1，波尔兹曼常数为k=1.38×10-23J/K， 计算：
1）在500℃下，每立方米Cu中的空位数目； 2）500℃下的平衡空位浓度。 （已知Cu的摩尔质量63.54，500℃ Cu的密度为 8.96×106g/m3)
增加为u，所以内能增加
，故内能增加是线性的。
Unu
2.缺陷存在使体系的混乱度增加，引起熵值增加，缺陷存在使 体系排列方式增加，即熵值显著增加。和缺陷数量变化呈非线 性的。
C
n N
A exp( Ev / kT )
n 平衡空位数
N 阵点总数
Ev 每增加一个空位的能量 变化 K 玻尔兹曼常数
A 与振动熵有关的常数
晶体结构的特点是长程有序。结构基元或者构成物体的粒子(原子、离子或分子等)完全按照空间点阵 规则排列的晶体叫理想晶体。 在实际晶体中，粒子的排列不可能这样规则和完整，而是或多或少地存在着偏离理想结构的区域，出 现了不完整性。 把实际晶体中偏离理想点阵结构的区域称为晶体缺陷。 实际晶体中虽然有晶体缺陷存在，但偏离平衡位置很大的粒子数目是很少的，从总的来看，其结构仍 可以认为是接近完整的。
材料科学基础第三章晶体缺陷
本章要求掌握的主要内容
b. 由于存在着这两个互为矛盾的因素，晶体中的点缺陷在一定温度下有一定的平衡数目，这时点 缺陷的浓度就称为它们在该温度下的热力学平衡浓度。
c. 在一定温度下有一定的热力学平衡浓度，这是点缺 陷区别于其它类型晶体缺陷的重要特点。
图 空位-体系能量曲线
1.形成缺陷带来晶格应变，内能U增加，一个缺陷带来的内能
过饱和点缺陷（如淬火空位、辐照缺陷）还提高了 金属的屈服强度。
例1：Cu晶体的空位形成能Ev为1.44×10-19J/atom, 材料常数A取为1，波尔兹曼常数为k=1.38×10-23J/K， 计算：
1）在500℃下，每立方米Cu中的空位数目； 2）500℃下的平衡空位浓度。 （已知Cu的摩尔质量63.54，500℃ Cu的密度为 8.96×106g/m3)
增加为u，所以内能增加
，故内能增加是线性的。
Unu
2.缺陷存在使体系的混乱度增加，引起熵值增加，缺陷存在使 体系排列方式增加，即熵值显著增加。和缺陷数量变化呈非线 性的。
C
n N
A exp( Ev / kT )
n 平衡空位数
N 阵点总数
Ev 每增加一个空位的能量 变化 K 玻尔兹曼常数
A 与振动熵有关的常数
晶体结构的特点是长程有序。结构基元或者构成物体的粒子(原子、离子或分子等)完全按照空间点阵 规则排列的晶体叫理想晶体。 在实际晶体中，粒子的排列不可能这样规则和完整，而是或多或少地存在着偏离理想结构的区域，出 现了不完整性。 把实际晶体中偏离理想点阵结构的区域称为晶体缺陷。 实际晶体中虽然有晶体缺陷存在，但偏离平衡位置很大的粒子数目是很少的，从总的来看，其结构仍 可以认为是接近完整的。
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2018/12/13
《材料科学基础》CAI课件-李克
11
b. 螺型位错 screw dislocation
位错线bb’：已滑移区和未滑移区的边界线
特征：
1）无额外半原子面， 原子错排是轴对称的 2）分左螺旋位错，符合左手法则；右螺旋位错 ，符合右手法则 3）位错线与滑移矢量平行，且为直线，位错线的运动方向与滑移矢量垂直 4）凡是以螺型位错线为晶带轴的晶带 所有晶面都可以为滑移面。 5) 点阵畸变引起平行于位错线的切应变，无正应变。 6）螺型位错是包含几个原子宽度的线缺陷。
2018/12/13 《材料科学基础》CAI课件-李克 9
3.2.1 位错的基本类型和特征
根据几何结构特征： a. 刃型位错 edge dislocation
b. 螺型位错 screw dislocation
2018/12/13
《材料科学基础》CAI课件-李克
10
a. 刃型位错 edge dislocation
材料科学基础 第三章_晶体缺 陷
第三章 晶体缺陷
Imperfections (defects) in Crystals
It is the defects that makes materials so interesting, just like the human being.
Defects are at the heart of materials science.
1、点缺陷的形成 （production of point defects)
原因：热运动：热振动强度是温度的函数 能量起伏=〉原子脱离原来的平衡位置而迁移别处 Schottky 空位，-〉晶体表面 =〉空位(vacancy)
Frenkel 空位，-〉晶体间隙
空位消失或移位
2018/12/13
《材料科学基础》CAI课件-李克
特征：
1）有一额外原子面， 刃口处的原子列称为位错线。半原 子面在上,正刃型位错 ┻ ； 下为负刃型位错 ┳ 2）刃位错的位错线不一定是直线， 可以是折线， 也可以 是曲线， 但位错线必与滑移矢量垂直。 3）位错线垂直于滑移矢量，位错线与滑移矢量构成的面是 滑移面， 刃位错的滑移面是唯一的。 4）刃型位错周围的晶体产生畸变，上压， 下拉， 半原子 面是对称的， 位错线附近畸变大， 远处畸变小。 5）位错周围的畸变区一般只有几个原子宽（一般点阵畸变 程度大于其正常原子间距的1/4的区域宽度， 定义为位错 宽度， 约2~5个原子间距。） * 畸变区是狭长的管道， 故位错可看成是线缺陷。
根据热力学，对空位平衡浓度进行推导-课外自学
2018/12/13
《材料科学基础》CAI课件-李克
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*点缺陷对性能产生的影响：
1。电阻增大 2。提高机械性能，如屈服强度 3。有利于原子扩散 4。体积膨胀，密度减小
2018/12/13
《材料科学基础》CAI课件-李克
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3.2 位错 –线缺陷
位错概念的提出（一） • 实验观察：位错的“线索”或“影子”
线缺陷 （line defect) 在二个方向尺寸均很小
一维缺陷 (one-dimensional defect) 面缺陷 （plane defect) 在一个方向上尺寸很小 二维缺陷 (two-dimensional defect)
《材料科学基础》CAI课件-李克 3
3.1 点缺陷
• 点缺陷：空位、间隙原子、溶质原子、和杂质原子、 +复合体（如：空位对、空位-溶质原子对）
宏观缺陷：孔洞，裂纹ຫໍສະໝຸດ 氧化，材料中 的缺陷腐蚀，杂质… 微观缺陷：
晶体缺陷
非晶体缺陷
2 《材料科学基础》CAI课件-李克
2018/12/13
实际晶体中的缺陷
• 晶体缺陷：晶体中各种偏离理想结构的区域
根 据 几 何 特 征 分 为 三 类
2018/12/13
点缺陷 （point defect) 三维空间的各个方向均很小 零维缺陷 (zero-dimensional defect)
2018/12/13 《材料科学基础》CAI课件-李克 14
各种位错的柏氏矢量
2018/12/13
《材料科学基础》CAI课件-李克
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2、柏氏矢量的物理意义
1、反映位错周围点阵畸变的总积累（包括强度和方向）
2、该矢量的方向表示位错运动导致晶体滑移的方向， 而该矢量的模表示畸变的程度称为位错的强度。 （strength of dislocation）
变形晶体表面的滑移
2018/12/13
二维球泡阵列中的位错
《材料科学基础》CAI课件-李克
晶体中的生长螺旋
8
位错概念的提出（二）
• 单晶体强度：理论与实验之间的巨大误差 • 理论值：根据刚性相对滑动模型得到tc=103~104MPa • 实验值：tc=1~10 MPa，相差甚远
1934年，Taylor等提出位错的概念，认为 存在着某种缺陷--位错，模型：位错的运动 （逐步传递）=>晶体的逐步滑移，计算证 实理论屈服强度接近实验值。后来实验观 察到实际位错。
13
3.2.2 柏氏矢量（Burgers Vector ）
1、柏氏矢量的确定
刃型位错
1。首先选定位错的正向 ； (出纸面的方向)
2。然后绕位错线周围作右旋闭合回路-------柏氏回路；在 不含有位错的完整晶体中作同样步数和方向的路径， 3。由终点向始点引一矢量， 即为此位错线的柏氏矢量， 记为 b
2018/12/13 《材料科学基础》CAI课件-李克 12
混合位错
滑移矢量既不平行也 不垂直于位错线， 而 是与位错线相交成任 意角度，一般混合位 错为曲线形式， 故每 一点的滑移矢量与位 错线的交角不同。 位错线不能终止于晶体内 部，只能露头于晶体表面
《材料科学基础》CAI课件-李克
2018/12/13
4
*点缺陷分类：
肖脱基缺陷——原子迁移到表面——仅在晶体内部形成空位 弗兰克缺陷——原子迁移到间隙中——形成空位-间隙对 杂质或溶质原子——间隙式（小原子）或置换式（大原子）
2018/12/13
《材料科学基础》CAI课件-李克
5
*点缺陷的形成原因： 1. 由于热起伏，形成热力学稳定的缺陷： 2. 产生与消亡达致平衡 2. 过饱和空位： 高温淬火、冷变形加工、高能粒子辐照