第3章晶体缺陷3.pptVIP

第三章 晶体缺陷 3.1 点缺陷 3.2 位错 3.3 表面与界面 3.3 表面及界面 面缺陷 原子偏离理想状态的区域在二维方向上都较大，而在第三维方向上很小的晶体缺陷。包括晶界、相界、外表面、层错、孪晶面等等。 表面与界面的理论是非常重要的基础理论之一，而且具有广泛的应用价值。 内界面包括： 晶界(grain boundaries)：位向不同的相邻晶粒之间的界面 亚晶界(sub-boundaries)：晶粒又可分为更小的亚晶粒。一般晶粒尺寸为15-25μm。亚晶粒尺寸为1μm。亚晶粒之间的界面称为亚晶界。 孪晶界(twin boundaries) ：相邻两晶粒的原子，相对一定晶面呈镜面对称排列，这两晶粒间的界面叫孪晶界。 相界(phase boundaries) :合金的组织往往由多个相组成，不同的相具有不同的晶体结构和化学成分，两个相之间的界面。 层错(stacking faults) :堆垛顺序与正常的堆垛顺序出现差异（正常堆垛顺序遭到破坏或错排）。 材料表面在材料的服役和制备过程中起着举足轻重的作用，如催化、腐蚀、磨损、吸附等现象只发生在表面上； 光-电、声-电、压-电转换现象都与表面密不可分； 表面在晶体生长中起着决定性的作用。 1. 理想表面 理想表面是一种理论结构完整的二维点阵平面。 忽略表面原子的热运动以及出现的缺陷和扩散现象 忽略外界环境的作用 2. 实际晶体的表面结构特征 表面重构 严格意义上的理想表面是不存在的。形成晶体表面时悬空键的存在，使得理想表面处于高能的不稳定状态。 为了降低表面自由能，表面原子的位置必然发生变化。这种变化的结果，使得在平行于表面的平面内，表面原子的平移对称性与理想表面显著不同，这种表面结构的变化称为表面重构 (surface reconstruction)。 表面驰豫 晶体的三维周期性在表面处中断，表面上原子的配位情况发生了变化，并且表面原子附近的电荷分布也有改变，使表面原子所在的力场与体内原子不同。 表面上的原子会发生相对正常位置的上或下的位移，以降低体系的能量，表面原子的这种位移称为表面驰豫 (surface relaxation)。 表面台阶结构 吸附表面 与体相原子不同，固体表面的原子有一部分键被切断，以悬空键(dangling bonds)的形式存在，使表面具有较高的自由能。 为降低表面自由能，除了表面原子的几何位置发生变化(表面重构和表面驰豫)以外，还通过吸附外来原子或分子来降低表面自由能，以使表面处于更稳定的状态。 3. 表面能(γ）（Surface energy ） 晶体表面单位面积自由能的增加。表示法：γ= dw/ds γ= [被割断的结合键数/形成单位新表面]×[能量/每个键] 3.3.2 晶界和亚晶界 晶界定义：组成晶体的多个晶粒中，属于同一固相（具有相同结构）、但位向不同的晶粒之间的界面。 亚晶界定义：每个晶粒有时由位向稍有差异的亚晶粒组成，相邻亚晶粒间的界面。 每个晶粒中还可分成若干个更为细小的亚晶粒（0.001mm），亚晶粒之间存在着小的位相差，相邻亚晶粒之间的界面成为亚晶界。亚晶粒更接近于理想的单晶体。 位相差一般小于2o，属于小角度晶界，具有晶界的一般特征。 对于小角晶界，可以假定沿一平面将一完整单晶分成两半，然后绕一旋转轴使两半晶体相对旋转一个小角度θ ，根据旋转轴与界面的相对取向的不同，小角晶界分成倾斜晶界、扭转晶界及一般晶界。 小角晶界之倾斜晶界 当旋转轴平行于界面时，两半晶体相对于界面发生倾转，这种界面叫做倾斜晶界。 对称倾斜晶界--相当于两部分晶体，沿着平行于界面的某一轴线，各自转过方向相反的θ／2而形成的。 非对称倾斜晶界 当晶界两边的晶体相对于界面旋转不同角度时，便形成非对称倾斜晶界。 非对称倾斜晶界除了两晶粒的位向差θ外，位错的分布还取决于晶界面与晶界两边晶体的对称面之间的夹角Φ 。 晶界与一个晶粒[100]的夹角为Φ -θ／2，与另一个晶粒的[100]的夹角为Φ +θ／2，晶面上存在两组柏氏矢量相互垂直的刃型位错。 小角晶界之扭转晶界 小角晶界之一般小角晶界 2.大角度晶界 大角度晶界（high angle grain boundaries ）为原子呈不规则排列的一过渡层。大多数晶粒之间的晶界都属于大角度晶界。 重合位置点阵（coincidence site lattice）模型：该模型说明，在大角度晶界结构中将存在一定数量重合点阵原子。 3、晶界能 小角度晶界的能量：主要来自位错能量(形成位错的能量和将位错排成有关组态所作的功)，而位错密度又决定于晶粒间的位向差，晶界能量与θ有关：