点缺陷晶体缺陷和强度.pptVIP

晶体缺陷与强度Crystal Defect and Strength 王建华 材料科学与工程学院 2010.09.12 第二章 点缺陷（ Point Defects） 原子尺度的缺陷（atomic size defects） 在晶体中可以热力学平衡态存在 点缺陷研究的发展——1926年Frankel提出 本章内容： 点缺陷的类型 点缺陷的形成及形成能 点缺陷的运动 热平衡态的点缺陷 过饱和点缺陷的形成 杂质原子 点缺陷对晶体性能的影响 基本类型：空位（Vacancy)和间隙原子(interstitial atom) 如果在晶体中抽去在正常点阵位置上的一个原子就造成了点阵的空位，如果在点阵的间隙位置挤进一个原子，则形成一个间隙原子。 2.2 点缺陷的形成 热振动 当某一原子具有足够大的振动能而使振幅增大到一定限度时，就可能克服周围原子对它的制约作用，跳离其原来的位置，使点阵中形成空结点，称为“空位”。 空位出现，周围原子的力平衡关系被破坏，原子偏离其平衡位置，产生三个方向尺寸均很小的点阵畸变→点缺陷。 点缺陷的形成 由于热激活离开平衡位置的原子可有三个去处—— （1）迁移到晶体的表面或晶界，而使晶体内部留下空位，形成Schotty 缺陷，肖脱基空位。 （2）挤入晶体的间隙位置，在晶体中形成数目相等的空位和间隙原子，这样的一对点缺陷称为Frankel缺陷，弗兰克尔空位。 （3）跳到其它空位中，造成空位迁移或消失。 点缺陷形成的物理本质？ 当原子间的吸引力和排斥力达到平衡时，原子在平衡位置以一定的频率和振幅振动（即原子的热振动）。温度场对这一振动行为起主要作用。温度越高，振动得越快，振幅越大。而且，每个原子在宏观统计上表现出不同的振动频率和振幅。 也就是：原子被束缚在它的平衡位置上，但原子却在做着挣脱束缚的努力。如果没有正常的格点供该原子“栖身”，那么这个原子就处在非正常格点上即间隙位置，形成间隙原子。由于原子挣脱束缚而在原来的格点上留下了空位。这就是点缺陷形成的本质。 点缺陷形成的驱动力？ 温度是使原子脱离平衡位置的动力，是形成点缺陷的外界条件，我们把它称之为点缺陷形成的驱动力。 点缺陷形成的驱动力还可以是其他方式，如：塑性变形、高能粒子辐照、热处理等。 值得说明的是，在外界驱动力作用下，哪个原子能够挣脱束缚，脱离平衡位置是不确定的，宏观上说这是一种几率分布，每个原子都有这样的可能。 点缺陷的形成能 空位形成能定义：在晶体内取出一个原子放在晶体表面上（但不改变晶体的表面能）所需要的能量。 包括畸变能和电子能 结合能愈大，熔点愈高，则空位形成能也愈大。 贵金属中点缺陷的形成能（理论计算值） 2.3 点缺陷的运动 对于一定的体系，平衡时点缺陷的数目是一定的，但这仅仅是一种动态平衡和稳定。考虑到原子的热运动和能量的起伏，一个原子可能脱离平衡位置而占据另一空位。虽然空位数目不增加，但确实存在原子的迁移。 空位缺陷的运动实质上是原子的迁移过程，它构成了晶体中原子传输的基础。 空位的移动方向与原子的迁移方向相反。 空位的移动过程 使空位移动所必需的能量——空位移动能 空位作无规运动的跳动频率可表达为 v为空位周围原子的振动频率， 为空位移动熵。 空位的移动速率对温度很敏感，随温度下降，其移动速率显著减慢。 空位移动所造成的原子迁移，就是晶体中的自扩散。自扩散取决于空位的浓度和跳动频率。 2.4 热平衡态的点缺陷 原子热振动产生出来的点缺陷是热力学平衡缺陷，即在一定的温度下总是对应着一定数量的点缺陷。 点缺陷的平衡浓度C：由统计热力学原理计算 根据自由能表达式： 在绝对温度T，当含有N个结点的晶体中形成n个空位时，与无空位的晶体相比，自由能的变化为— 2.6 杂质原子 与基体原子不同的外部杂质进入晶体内部构成的一种点缺陷 分为替代式和间隙式两类 替代式，如Si、Ge中掺杂III、V族元素B、Al、Ga、In和P、As、Sb等，控制导电类型和电阻率，结构上III、V族元素与IV族元素相似 间隙式，Fe，Ni，O形成间隙式杂质，处于Si、Ge晶胞五个较大的间隙 杂质原子的特点： 晶格常数a与固溶体成分x之间的关系： 式中，a1、a2分别为溶剂和溶质的晶格常数 2.7 点缺陷对晶体性能的影响 平衡状态下，空位的浓度比间隙原子要大得多。由此，我们主要分析空位对晶体物理性能的影响。 1）电阻的变化 晶体的电阻来源于离子对传导电子的散射。在完整的晶体中，电子基本上是在均匀电场中运动，而在有缺陷的晶体中，由于缺陷区点阵周期性的破坏，电场急剧变化，因而对电子产生强烈散射，导致电阻上升。 空位对于传导电子产生附加散射，而引起电阻率 ρ 的增加。 例如：淬火温度越高