《固体物理学》课程教学资源（PPT课件）固体中的原子无序 Imperfections in Solids

26固体中的原子无序 Chapter 5 Imperfections in Solids Defects in Crystals Point, vacancy and self-interstitial Frenkel and schottky defect, Stoichiometry Linear, edge and screw dislocation, Burgers vector Interfacial Bulk Solid solution(alloys) substitutional and interstitial Noncrystalline Diffusion

2-6 固体中的原子无序 Imperfections in Solids Defects in Crystals Point, vacancy and self- interstitial Frenkel and Schottky defect, Stoichiometry Linear, edge and screw dislocation, Burgers Vector Interfacial, Bulk Solid Solution (alloys) substitutional and interstitial Noncrystalline Diffusion Chapter 5

26固体中的原子无序( perfections in Solids 26-1固溶体 (Solid Solution) 杂质原子(或离子、分子)均匀分布(溶)于基质晶格中的固体 通常特征:杂质和基质原子共同占据原基质的晶格点阵; 有一定的成分范围--固溶度 1.根据相图划分: 1)端部固溶体(初级固溶体):包括纯组分的固溶体相图端部 2)中部固溶体(二次固溶体):0<任一组元<100%相图中部 (无任一组元的结构,以化合物为基)

2-6 固体中的原子无序 (Imperfectionsin Solids) 2-6-1 固溶体(Solid Solution)： 杂质原子（或离子、分子）均匀分布（溶）于基质晶格中的固体 通常特征：杂质和基质原子共同占据原基质的晶格点阵； 有一定的成分范围 ---- 固溶度 1. 根据相图划分： 1) 端部固溶体(初级固溶体): 包括纯组分的固溶体 相图端部 2) 中部固溶体(二次固溶体): 0＜任一组元＜100％ 相图中部 （无任一组元的结构，以化合物为基）

Zn质量分数/% 0102030405060708090100 1100 1083 1000 902 834 800 700 出600 98 58 500 454 1468 424 400 419 返回 200 0102030405060708090100 Cu Zn Zn质量分数/%

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2根据溶质在点阵中的位置划分: )置换型固溶体 Substitutional solid solution) 晶体原(离)子被其它原(离)子部分代换后形成 置换量不同可: 完全互溶; 部分互溶; Figure 5.5 不形成固溶体 2600 2600 2800 2200 2400 2400 1800 2000 1400 1600 20406080100002040608010010004608010 FeO质量分数/%MgO MgO质量分数/%CaO Cao 质量分数/% (a) (c)

2. 根据溶质在点阵中的位置划分： 1) 置换型固溶体(Substitutionalsolid solution)： 晶体原 (离)子被其它原(离)子部分代换后形成 置换量不同可： 完全互溶； 不形成固溶体 部分互溶； Figure 5.5

影响置换因素:下列诸因素相同(近)易置换;否则难成固溶体 A.离子大小:同晶型时半径差<15%,完全互溶 20~40%,部分互溶 难置换 ●● Fe2+ Mg2+ B.键性(极化):Zn+(共价性)—Fe(离子性) C.晶体结构类型和晶胞大小 D.电价:电价差使置换难(大晶胞中需其它离子补足)

影响置换因素：下列诸因素相同（近）易置换；否则难成固溶体 A. 离子大小: 同晶型时 半径差 ＜15％， 完全互溶 20~40%， 部分互溶 难置换 B．键性（极化）: Zn++（共价性） Fe++(离子性) C. 晶体结构类型和晶胞大小 D．电价: 电价差使置换难（大晶胞中需其它离子补足）

2)间隙型固溶体( Interstitial solid solution) 较小的原子进入晶格间隙形成的固溶体 Interstitial ●碳 impurity atom Figure 5.5 铁 影响因素 A.晶格结构的空隙大小 B.间隙离子进入后需空位或其它高价反电荷离子 以置换方式平衡电中性

2）间隙型固溶体(Interstitialsolid solution)： 较小的原子进入晶格间隙形成的固溶体 影响因素： A． 晶格结构的空隙大小 B． 间隙离子进入后需空位或其它高价反电荷离子 以置换方式平衡电中性。 Figure 5.5

固溶体的判断 固溶体的理论密度: Dc =n. A/v NA N、V分别为晶胞的原子数和体积 A为固溶体平均相对原子质量 NA为阿佛伽德罗常数 测定固溶体实际密度pe 若:pe〈pe:间隙式 置换式 pe〉pe:缺位式(缺阵点原子)

固溶体的理论密度： ρc = N · A ／ V · NA N、V 分别为晶胞的原子数和体积 A 为固溶体平均相对原子质量 NA为阿佛伽德罗常数 测定固溶体实际密度 ρe 若: ρc〈 ρe : 间隙式 ρc = ρe : 置换式 ρc 〉ρe : 缺位式 （缺阵点原子） •固溶体的判断

3)非化学计量化合物( Nonstoichiometric 组分比偏差于化学式的化合物(含变价离子) 实质是由金属的高氧化态和低氧化态形成的固溶体 其电中性( (electroneutrality)由空孔或间隙离子平衡 Fez+ Q Figure 5.4

3）非化学计量化合物(Nonstoichiometric)： 组分比偏差于化学式的化合物 （含变价离子） 实质是由金属的高氧化态和低氧化态形成的固溶体 其电中性(electroneutrality)由空孔或间隙离子平衡 Figure 5.4

3.根据固溶度划分: 1)有限固溶体: 固溶度<100 2)无限固溶体(连续固溶体):固溶度0~100% 4.根据各组元原子分布的规律性划分 1)无序固溶体:组元原子的分布是随机的 2)有序固溶体:各组元原子分别占据各自的分点阵, 分点阵穿插成复杂的超点阵

3. 根据固溶度划分： 1) 有限固溶体： 固溶度 ＜100% 2) 无限固溶体(连续固溶体)： 固溶度 0 ~100% 2) 有序固溶体：各组元原子分别占据各自的分点阵， 分点阵穿插成 复杂的超点阵 4．根据各组元原子分布的规律性划分： 1) 无序固溶体：组元原子的分布是随机的

2-6-2晶体结构缺陷( Defects in Crystals) 晶体中原子排列的周期性受到破坏的区域,分: 1.点缺陷( Point Defect):任何方向尺寸都远小于晶体线度的缺陷区 空位( vacancy): (a)无原子的阵点位置(b)双空位 间隙原子( Self-interstitial:(d)挤入点阵间隙的原子 肖特基缺陷( Schottky defect):(c)离子对空位 弗兰克尔缺陷( Frenkel defec:(e)等量的正离子空位和正离子间隙 88888888 (b)

2-6-2 晶体结构缺陷(Defects in Crystals) 晶体中原子排列的周期性受到破坏的区域，分： 1. 点缺陷(Point Defect)：任何方向尺寸都远小于晶体线度的缺陷区 空位 (vacancy)： (a)无原子的阵点位置 间隙原子(Self-interstitial)： (d)挤入点阵间隙的原子 肖特基缺陷(Schottky Defect)：(c)离子对空位 弗兰克尔缺陷(FrenkelDefect)：(e)等量的正离子空位和正离子间隙 (b)双空位