第3章点缺陷、位错的基本类型和特征_科学基础学案.ppt

第3章 晶体缺陷 3.1 点缺陷 3.2 位错 3.3 表面及界面 缺陷的含义：通常把晶体点阵结构中周期性势场的畸变称为晶体的结构缺陷。 理想晶体：质点严格按照空间点阵排列。 实际晶体：存在着各种各样的结构的不完整性。 缺陷的分类方式： 按形成原因：热缺陷、杂质缺陷、非化学计量缺陷等 按几何形态：点缺陷、线缺陷、面缺陷等　 缺陷的形成原因 1. 热缺陷 定义：热缺陷亦称为本征缺陷，是指由热起伏的原因所产生的空位或间隙质点（原子或离子）。 类型：弗仑克尔缺陷（Frenkel defect）和肖特基缺陷（Schottky defect） 热缺陷浓度与温度的关系：温度升高时，热缺陷浓度增加 缺陷的形成原因 2.杂质缺陷 定义：亦称为组成缺陷，是由外加杂质的引入所产生的缺陷。 特征：如果杂质的含量在固溶体的溶解度范围内，则杂质缺陷的浓度与温度无关。 杂质缺陷对材料性能的影响 缺陷的形成原因 3. 非化学计量缺陷 定义：组成上偏离化学中的定比定律所形成的缺陷，如Fe1－xO、Zn1+xO等晶体中的缺陷。 特点：其化学组成随周围气氛的性质及其分压大小而变化。是一种半导体材料。 4. 其它原因，如电荷缺陷，辐照缺陷等 3.1 点缺陷 基本概念：如果在任何方向上缺陷区的尺寸都远小于晶体或晶粒的线度，因而可以忽略不计，那么这种缺陷就叫做点缺陷。 点缺陷是最简单的晶体缺陷，它是在结点上或邻近的微观区域内偏离晶体结构的正常排列的一种缺陷。 3.1 点缺陷 2. 基本类型： 空位（vacancy） ：实际晶体中某些晶格结点的原子脱离原位，形成的空着的结点位置就叫做空位。 间隙原子（interstitial particle） ：进入点阵间隙中的原子称为间隙原子。 置换原子（foreign particle）：那些占据原来基体原子平衡位置上的异类原子称为置换原子。 Frenkel defect 和 Schottky defect产生示意图 3. 点缺陷的平衡浓度 热力学分析表明，晶体最稳定的状态并不是完整晶体，而是含有一定浓度的点缺陷状态，即在该浓度情况下，自由能最低。这个浓度就称为该温度下晶体中点缺陷的平衡浓度。 原因：空位的出现破坏了其周围的结合状态，因而造成局部能量的升高（由空位的出现而高于没有空位时的那一部分能量称为“空位形成能”）但同时空位的出现大大提高了体系的熵值 点缺陷的平衡浓度的计算：假设温度T和压强P条件下，从N个原子组成的完整晶体中取走n个原子，即生成n个空位。并定义晶体中空位缺陷的平衡浓度为：x=n/N 点缺陷的平衡浓度的计算 由上式可得： 1）晶体中空位在热力学上是稳定的，一定温度T对应一平衡浓度X； 2）X与T呈指数关系，温度升高，空位浓度增大； 3）空位形成能ΔUV大，空位浓度小。 例如：已知铜中ΔUV=1.7×10-19 J，A取为1，则 4. 点缺陷的产生 平衡点缺陷：热振动中的能力起伏。 过饱和点缺陷：外来作用，如高温淬火、辐照、冷加工等。 5. 点缺陷的运动：迁移、复合－浓度降低；聚集－浓度升高－塌陷 晶体中的原子正是由于空位和间隙原子不断地产生与复合才不停地由一处向另一处作无规则的布朗运动，这就是晶体中原子的自扩散。是固态相变、表面化学热处理、蠕变、烧结等物理化学过程的基础。 5. 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，使空位移动所必需的能量，叫空位移动能Em。自扩散激活能相当于空位形成能与移动能的总和。 6. 点缺陷与材料行为 （1）结构变化：晶格畸变（如空位引起晶格收缩，间隙原子引起晶格膨胀，置换原子可引起收缩或膨胀。）；形成其他晶体缺陷（如过饱和的空位可集中形成内部的空洞，集中一片的塌陷形成位错。） （2）性能变化：物理性能：如电阻率增大，密度减小。力学性能：屈服强度提高（间隙原子和异类原子的存在会增加位错的运动阻力。）加快原子的扩散迁移 3.2 位错 3.2.1 位错的基本类型和特征 位错的概念：位错是晶体的线性缺陷。晶体中某处一列或若干列原子有规律的错排。 意义：对材料的力学行为如塑性变形、强度、断裂等起着决定性的作用，对材料的扩散、相变过程有较大影响。 位错的提出：1926年，弗兰克尔发现理论晶体模型刚性切变强度与与实测临界切应力的巨大差异（2～4个数量级）。1934年，泰勒、波朗依、奥罗万几乎同时提出位错的概念。1939年，柏格斯提出用柏氏矢量表征位错。1947年，柯垂耳提出溶质原子与位错的交互作用。1950年，弗兰克和瑞德同时提出位错增殖机制。之后，用TEM直接观察到了晶体中的位错。 3.2.1 位错的基本类型和特征 刃型位错：刃型位错的位错线垂直于滑移方向，模型如图所示，相当于在正常排列