1、实际晶体缺陷类型及其特征胡弟t/发兴孚科研训练报告题 目：实际晶体中的缺陷分类及其特征学生姓名：刘国进学 院：理学院班 级：电科10-1指导教师：哈斯花2013 年 9 月 9 日一、国内外研究进展及研究意义1.1国内外研究现状和发展动态20世纪初，X射线衍射方法的应用为金属研究开辟了新天地， 使我们的认识深入 到原子的水平；到 30年代中期，泰勒与伯格斯等奠定了晶体位错理论的基础； 50年 代以后，电子显微镜的使用将显微组织和晶体结构之间的空白区域填补了起来， 成为 研究晶体缺陷和探明金属实际结构的主要手段， 位错得到有力的实验观测证实； 随即 开展了大量的研究工作，澄清了金属塑性形变的微观
2、机制和强化效应的物理本质。1.2研究意义在晶体的生长及形成过程中， 由于温度、 压力、介质组分浓度等外界环境中各种 复杂因素变化及质点热运动或受应力作用等其他条件的不同程度的影响会使粒子的 排列并不完整和规则，可能存在空位、间隙粒子、位错、镶嵌结构等而偏离完整周期 性点阵结构， 形成偏离理想晶体结构的区域， 我们称这样的区域为晶体缺陷， 它们可 以在晶格内迁移， 以至消失， 同时也可产生新的晶体缺陷。 本文就晶体中所存在的各 类缺陷做了详细说明，并且重点介绍了各类缺陷的成因及其特征。1.3主要参考文献1 黄 昆 原 著 ,韩 汝 琦 固 体物 理 学 M 出版 社 :高 等教 育 出 版社 I
3、SBN:97870400102512 XX文库 晶体缺陷 二、研究内容及方案2.1 研究内容 按照晶体缺陷的几何形态以及相对于晶体的尺寸，或其影响范围的大小，可将其 分为以下几类：1.点缺陷 (point defects) 其特征是三个方向的尺寸都很小，不超过几个原子间距。女口：空位(vacancy)、间隙原子(interstitial atom)和置换原子(substitutional atom) 。除此以外，还有空位，间隙原子以及这几类缺陷的复合体 等均属于这一类。这里所说的间隙原子是指应占据正常阵点的原子跑到点阵间隙中。2.线缺陷( linear defects) 其特征是缺陷在两个方向
4、上尺寸很小(与点缺陷相 似)，而第三方向上的尺寸却很大，甚者可以贯穿整个晶体，属于这一类的主要是位 错(dislocati on) 。3.面缺陷 (interfacial defects) 其特征是缺陷在一个方向上的尺寸很小 (同点 缺陷)，而其余两个方向上的尺寸很大。晶体的外表面 (external surfaces) 及各种内 界面如： 一般晶界(grain boundaries)、孪晶界(twin boundaries)、亚晶界 （sub-boundaries ）、相界 （phase boundaries） 及层错 （stacking faults） 等均属于这 一类。2.2 研究方案
5、由于资源有限，本次研究选用了文献研究法及广泛收集、查阅与本课题相关的 文献资料， 学习和研究相关的固体物理学理论和先进的科研结果， 为课题研究提供方 法论。经过归纳整理、 分析鉴别， 对一定时期内晶体学科或专题的研究成果和进展进 行系统、全面的叙述和评论，并对之进行详细有序的总结概括。三、研究计划第一步，确定综述的选题。 （1 周 -2 周）第二步，收集相关的文献资料。 （3 周 5 周）第三步，整理文献。（5 周 8 周）第四步，撰写综述初稿（ 9 周 12 周）第五步，修改综述初稿，并完成文献综述。 （13 周）四、预期研究结果晶体缺陷的分类及其特点晶体结构缺陷的种类繁多， 有的是晶格畸变
6、， 有的是品格中杂质或掺质原子缺陷， 有的涉及到品体组成的非化学计量比， 有的对应于电磁结构中有序的跃迁等。 人们按 照晶体结构缺陷在三维空间延伸的线度， 把它们分为点、 线、面、体等四类结构缺陷。 1 点缺陷晶体中的一些原子被外界原子所代替，或者留有原子空位等，这些变化破坏了晶 体规则的点阵周期性排列， 并引起质点间势场的畸变， 这样造成的晶体结构不完整性 仅仅局限在某些位置， 只影响临近的几个原子， 在三维空间方向上的尺度远远小于晶 体或晶粒的尺度，所以称为点缺陷，点缺陷参与晶体中的质量输运与电荷输运过程 它对晶体结构敏感性能有时起到决定性的作用。点缺陷包括点阵原子空位、间隙原子、杂质或溶
7、质原子以及它们组成的复杂缺陷 空位团、空位和杂质原子复合体、色心等，具体分类如图 1.1点缺陷图1.11.1晶格位置缺陷晶格位置缺陷一般指空位和间隙原子所造成的点缺陷， 主要是内部质点运动偏离 其平衡位置所产生的缺陷，由于原子的热运动与温度有关，所以这类缺陷的形成主要 受温度影响，也称为热缺陷，属于本征缺陷。原子离开平衡位置后，或者进入间隙，或者迁移至晶体表面正常格点位置，在原位置留下空位，前者称为弗兰克尔缺陷，其特点是空位和间隙原子同时产生， 晶体密 度保持不变；后者称为肖特基缺陷，特点是保持离子晶体的电中性，正离子空位和负 离子空位同时产生，晶体体积增大。点缺陷，原子偏离正常的平衡位置，发
8、生微量位移，破坏了原子排列的规律性，造成晶格畸变，使电子在传导时散射增加，从而增加了电阻，空位的存在还使晶体密 度下降，体积增大，高温下大量空位存在与运动使晶体发生蠕变。 高温快速冷却保留的或经辐照处理后的大量空位还可能形成空位片，或者与其他晶体缺陷发生交互作 用，提高材料的强度，但相对的韧性下降。空位和间隙原子的运动是晶体内原子扩散 的内部原因，而扩散又是烧结等加工工艺过程的基础。1.2组成缺陷组成缺陷主要是指杂质原子进入晶体所产生的一类晶体缺陷， 这类缺陷不仅破坏了晶体的规则空间点阵结构排列，还会引起杂质原子周围的周期势场的变化。 杂质原子主要分为置换（替代）杂质原子和间隙杂质原子两种，杂
9、质缺陷的浓度与温度无关， 主要取决于溶解度和掺杂量，属于非本征缺陷。一般杂质原子的含量都小于 1%，但此含量界限不是必然的，不同晶体和掺入杂 质均有所区别。某些杂质进入主晶格，能在很大的组成范围内“互溶”而不出现新的 结构，这样的现象特别称为固溶体（具体分类如图1.2），固溶体是一种特殊的杂质缺 陷结构，同时也是类质同像所形成的的混晶结构的反映，类质同像混合晶体可以看成具有极近似晶胞结构和晶胞化学的一系列晶胞整齐元序的堆垛。如橄榄石 （Mg,Fe）2SiO4,可以看成Mg2SiO4和FSiO4晶胞按一定比例整齐无序的堆垛。由于 替代与被替代的质点（原子、离子、络阴离子或分子）具有极为近似的化学
10、性质，质 点的替代可在一定范围进行，这种替代不会引起化学键性和晶体结构形式发生质的变 化。自然界矿物中结晶时，其晶体结构中广泛存在离子或离子团之间的置换， 即一种位置被两种或两种以上的不同元素（或基团）置换，从而形成一种混晶的矿物结构， 称为替位式固溶体，这种替位式固溶体成为点缺陷中组成缺陷里的特殊情况， 只是替代量往往大于1%。图1.21.3电荷缺陷电荷缺陷也称为非化学计量结构缺陷，存在于非化学计量化合物中，由于热能和其他能量传递激发电子跃迁，产生空穴和电子形成附加电场引起周期势场的畸变， 造成晶体的不完整性。非化学计量结构缺陷的形成需要在化合物中或掺入或有多价态元素组分， 如过渡金属氧化物
11、。当环境中的气氛和分压改变时，引起化合物的组成偏离化学计量关系， 形成电荷缺陷。如在还原气氛中形成的 TiO2-x，晶体机构中缺少氧离子，只有部分钛 离子从四价变成三价才可保持电中性。当高价或低价的杂质原子代替晶体中空间点阵 中固有的原子，不仅形成了组成缺陷，而且也造成电荷缺陷。例如，纯硅中掺入磷和 硼，从能量理论分析，磷比硅多了一个电子，因此磷在禁带中产生施价带主能，易使 导带中产生电子缺陷。在半导体氧化物晶体中，非化学计量结构缺陷使晶体的导带中出现电子或价带中出现空穴，生成 n型半导体和p型半导体。电荷缺陷的形成不同于点缺陷和组成缺陷的形成，他需要气氛和压力偏离热力学 平衡状态。1.4色心
12、色心，由透明晶体中点缺陷、点缺陷对或点缺陷群捕获电子或空穴而构成的一种 缺陷，主要有捕获电子负离子空位形成的 F色心和正离子空位缺陷捕获空位形成的 V 色心，通常产生于碱金属卤化物、碱土金属氟化物和部分金属氧化物中，如电气石、 天河石、方钠石、石英等晶体颜色产生机理都可以用色心理论加以解释。2 线缺陷线缺陷指二维尺度很小而第三为尺度很大的缺陷，其特点是两个方向上的尺寸很 小而另外一个方向延伸较长，也称一维缺陷，可被电镜观察到，当今研究最多的是位 错。位错理论是晶体结构缺陷研究的核心，位错的存在不仅影响到晶体的力学性质， 而且也影响到晶体的一系列宏观物理性质，如晶体的强度和断裂等。实际晶体在结晶
13、时，受到温度、压力、浓度及杂质元素的影响，或由于晶体受到 打击、切削、研磨、挤压、扭动等机械应力的作用，使晶体内部质点排列变形，原子 行列间相互滑移，使晶体某处一列或若干列原子发生了有规律的错排现象， 错排区是管状畸变区域即晶体中两个尺度较小、 一个尺度较大的原子位置错排区，我们称为位 错。晶体中位错的基本类型分为为刃型位错和螺型位错（其基本原子组态如图 2.1），实际上位错往往是两种类型的混合，称为混合位错。晶艳畴娈区螺型位错刃型位错图2.1由于某种原因，晶体的一部分相对于另一部分出现一个多余的半原子面， 这个多 余的半原子面有如切入晶体的刀片， 刀片的刃口线即为位错线， 这种缺陷称为刃型位
14、 错，半原子面在上面的称正刃型位错， 半原子面在下面的称负刃型位错； 晶体的某一 部分相对于其余部分发生滑移， 原子平面沿着一根轴线盘旋上升， 每绕轴线一周， 原 子面上升一个晶面间距，在中央轴线处即为螺型位错。3 面缺陷晶体常常被一些界面分隔成许多小的畴区，畴区内具有较高的原子排列完整性， 畴区之间的和界面附近存在着较严重的原子错排， 此类缺陷发生于整个界面， 称为面 缺陷，它在一维尺寸小，在另二维尺寸大，可被光学显微镜观察到，功能多品陶瓷的 性能主要取决于面缺陷。通常，按照界面两侧的晶体结构关系将面缺陷分为以下三类：晶界、孪晶界面及 平移界面。3.1 晶界晶体结构相同位向不同的晶粒之间的界
15、面称为晶粒间界， 简称晶界。 在晶粒内部 可以观察到直径在 10-100um 大小的晶块，这些晶块之间的内界面就称为亚晶粒间界， 简称亚晶界，亚晶界主要是由位错组成。当晶界两侧的晶粒位相差很小时，晶界基本上是由位错组成，这样的界面称为小 角度晶界， 较简单的情况是对称倾斜晶界， 即晶界两侧的晶粒相对于晶界对称地倾斜 了一个小角度， 主要是晶体在生长过程中受热或机械应力或表面张力作用， 位错在交 互作用力驱动下相互作用并重新排列而形成一种低能结构。 基本上所有的小角度晶界 都是由位错组成，晶界上的位错密度随位相差的增大而增大。当晶粒间的位相差增大到一定程度后，位错就难以协调相邻晶粒之间的位相差，
16、 形成结构笔记哦啊复杂的大角度晶界。3.2 孪晶界面两个或两个以上的同种晶体， 彼此之间的层错按一定的对称关系相互联系而形成 的复合晶体就叫作孪晶。晶体的成核阶段或者其後的成长阶段中形成原生孪晶， 即质点在某个方向上中断 了按原先的晶格位置所进行的堆积， 改变为按与之成孪晶关系的晶格方位进行堆积的 结果，但这种改变并不导致键的破坏和晶体内能的明显增大； 由高温变体经同质多象 转变而变为对称程度较低的低温变体时所产生转变孪晶； 在晶体形成之后受机械应力的作用，在部分晶格中的一连串相邻面网间同时发生均匀滑移的范性形变， 使滑移部分与未滑移部分的晶格间形成孪晶关系变成滑移孪晶； 某些金属退火再结晶时
17、，通过质点的扩散和晶间界面的变化，容易产生孪晶接合面取代一般的晶间界面而形成退火 孪晶。3.3平移界面界面两侧晶体以某一特征的非点阵平移相联系的称为平移界面，包括堆垛层错、 反向畴界和结晶切变面，其中，结晶切变面可以概括的理解为一种特殊的反向畴界, 关于这三类平移界面的特点具体见下表。堆垛层错晶体密排面按正常顺序堆垛时引入反常顺序堆垛所形成的面缺陷，具有较低的界面能量反向畴界有序固溶体合金中有序畴间的界面，与有序超结构的非点阵平移 相关，使界面两侧近邻原子对的性质与正常有序态不同，但无明 显点阵畸变，但会造成局域的组分变化结晶切变面非化学配比的化合物晶体中的反向畴界4体缺陷体缺陷是由热运动造成
18、的一种半微观缺陷， 它对晶体的宏观物理性能往往带来有 害的影响。在三维尺寸较大，如镶嵌块，沉淀相，空洞，气泡等。本科生科研训练综合成绩评价表学生姓名刘国进 学号201020906060班级 电科09-1学 院理学院专业电子信息科学与技术题目实际晶体中缺陷的分类及其特征成绩组成评价内容得分平时成绩（30 分）出勤、纪律、平时表现等报告成绩（50 分）综合运用知识的能力、应用文献资料和外文的能力、研究方案的设计能力、报告撰写水平等答辩成绩（20 分）自述的内容、语言、条理性和总体效果，回答问题的准 确性、完整性等总分（100分）综合评定成绩（五级分制）：科研训练综合评语：（根据学生能力水平、报告撰写质量、学生在科研训练实施过程中的学习态度及学生答辩情况等内容的评价）指导教师签字：年 月 日
