第四章点缺陷解析.ppt

Ω * 第四章 点缺陷 晶体缺陷：点缺陷、线缺陷和面缺陷 点缺陷：是指那些对晶体结构的干扰仅波及几个原子间距范围的晶体缺陷。 点缺陷类型： （1）结构缺陷：点阵空位、填隙原子。 （2）化学点缺陷：代位杂质、填隙杂质。（图4-1） 点缺陷对晶体结构及性能有重要的影响，例如：物理性质、电学性质、光学性质等。 4.1 空位与填隙原子 4.1.1 热平衡态的点缺陷浓度 晶态固体中的原子总是在其平衡位置附近一刻不停地作微小的振动。由于热振动的非线性，任一原子的热振动都与周围原子的热振动状态密切相关，使热振动能量存在涨落。当一原子一单具有足够大的动能时就可能脱落正常位置，跳到邻近的原子间隙中去，形成填隙原子，并在原位置留下一个空位。 点缺陷是热力学平衡的缺陷－在一定温度下，晶体中总是存在着一定数量的点缺陷（空位），这时体系的能量最低－具有平衡点缺陷的晶体比理想晶体在热力学上更为稳定。晶体中形成点缺陷时，体系内能的增加将使自由能升高，但体系熵值也增加了，这一因素又使自由能降低。 体系自由能： F0为完整的晶体的自由能，Uy为空位的形成能 ，Sf为空位的周围原子振动态引起的振动熵，而kBlnΩ则为无序度增加而致的组态熵，Ω=（N+n)!/N!n!为系统的所有可能组态数。 斯特令近似： 热平衡时，满足关系 ?F/?n=0 ，因此空位的平衡浓度： 同理，填隙原子的平衡浓度： 4.1.2 点缺陷的形成能 在热平衡态下的点缺陷，其浓度与温度及其形成能密切相关。 （1）点缺陷的平衡浓度随温度升高而指数式增大。 （2) 形成能的大小不仅影响着热缺陷的总浓度，而且也决定了晶体中的主要平衡点缺陷是空位还是填隙原子。 空位的形成能被定义为从晶体内正常点整位置上取出一个原子并放到晶体表面上所需的能量，如图4-2所示。填隙原子的形成能定义为从晶体表面台阶处取走一个原子并挤进晶内间隙位置所需的能量，如图4-3所示。 图4-2 空位的形成能 （a）含表面台阶的完整晶体，其中较浅色原子被移走 （b）移走原子至表面台阶处留下的空位，临近原子向空位处弛豫 图4-2 填隙原子的形成能 （a）含表面台阶的完整晶体 （b）表面台阶处的原子进入晶内间隙位置而形成填隙原子，紧邻原子被向外挤出 4.2点缺陷的产生 在实际晶体中，可以存在较热缺陷浓度高许多的非平衡态点缺陷，特别是在较低温度下平衡态点缺陷极少时，以各种方式引入的额外点缺陷显得更为重要，它们对材料的许多物性起着决定性作用。 最常见的几种物理过程如下所述： （1）淬火 晶体中点缺陷的热平衡浓度随温度的下降而指数式的减少。如果进行淬火处理，那么高温下形成的高浓度点缺陷将被“冻结”在晶内，形成过饱和缺陷。晶体中的点缺陷由于存在复合和消失过程，其实际饱和度与淬火速率、合并湮灭速率及尾间密度等因素有关。对于金属可耐受高淬火速率，而非金属晶体却会因为高温度梯度使晶体明显变形甚至断裂。 Ω *