《固体物理》课程教学课件（讲稿）第四章 晶体中的缺陷和扩散 §4.1 晶格缺陷的主要类型 §4.2 热缺陷 §4.3 晶体中原子的扩散 §4.4 离子导电性 §4.5 位错

第四章晶体中的缺陷和扩散 §4.1晶格缺陷的主要类型 一、点缺陷 点缺陷：定域在格点附近一个或几个晶格常数范围内 偏离晶格周期性的结构称为点缺陷 1.空位（Schottky缺陷)

第四章 晶体中的缺陷和扩散 §4.1 晶格缺陷的主要类型 一、点缺陷 点缺陷：定域在格点附近一个或几个晶格常数范围内 偏离晶格周期性的结构称为点缺陷 1. 空位（Schottky缺陷）

2.Frenkel缺陷 ● Frenkel缺陷：空位一间隙原子对 ●● ●● ● 形成一个Frenkel缺陷要比形成一个空位所需的能 量多些，因而也更难些。 空位和Frenkel缺陷的成因都是由于晶格原子的热 振动，因此这两种点缺陷也称为热缺陷

2. Frenkel缺陷 Frenkel缺陷: 空位——间隙原子对 空位和Frenkel缺陷的成因都是由于晶格原子的热 振动，因此这两种点缺陷也称为热缺陷。 形成一个Frenkel缺陷要比形成一个空位所需的能 量多些，因而也更难些

3.杂质原子 当晶体中的杂质以原子状态在晶体中形成点缺陷时， 称为杂质原子。 ·替位式杂质（代位式杂质） ·填隙式杂质 K+ CI- K+ CI-K+ CI- K+ CI- K+ CI- K+ CI-Ca2+ CI- K+ ·缺位式杂质 CI- K+ CI CI- K+ CI- K+ CI- K+ CI- K+ CI- K+ CI-

3. 杂质原子 当晶体中的杂质以原子状态在晶体中形成点缺陷时， 称为杂质原子。 • 替位式杂质（代位式杂质） K＋ Cl－ K＋ Cl－ K＋ Cl－ K＋ Cl－ K＋ Cl－ K＋ Cl－ K＋ Cl－ K＋ Cl－ K＋ Cl－ K＋ Cl－ K＋ Cl－ K＋ Cl－ K＋ Cl－ K＋ Cl－ K＋ Cl－ Ca2＋ • 填隙式杂质 • 缺位式杂质

4.色心 色心的产生 ·如将NaCI晶体放在Na金属蒸气中加热，然后再骤冷 至室温，就可在NaCI晶体中产生色心。 Na+ CI- Na+ CI-Na+ CI CI- Na+ CI- Na+ CI- Na+ Na+ CI- Na+ -e Na+ CI- CI- Na+ CI- Na+ CI Na+ Na+ CI- Na+ CI- Na+ CI- CI- Na+ CI- Na+ CI- Na+ ·用X射线或口射线辐照、用中子或电子轰击晶体

4. 色心 Na＋ Cl－ Na＋ Cl－ Na＋ Cl－ Cl－ Na＋ Cl－ Na＋ Cl－ Na＋ Na＋ Cl－ Na＋ Na＋ Cl－ Cl－ Na＋ Cl－ Na＋ Cl－ Na＋ Na＋ Cl－ Cl－ Na＋ Cl－ Cl－ Na＋ Cl－ Na＋ Cl－ Na＋ Na＋ -e 色心的产生 如将NaCl晶体放在Na金属蒸气中加热，然后再骤冷 至室温，就可在NaCl晶体中产生色心。 用X射线或 ￾ 射线辐照、用中子或电子轰击晶体

二、线缺陷 ·刃位错： E B ·螺位错：

二、线缺陷 E F A B • 螺位错： • 刃位错：

三、面缺陷 常见的面缺陷：晶粒间界、挛晶界、小角晶界 和层错等 层错：晶体中的某个原子层发生堆积错误 fCc晶体中的正常堆积次序：.ABCABC. fcc晶体中的层错：.ABCABABC. 体缺陷，如：空洞、气泡和包裹物等

常见的面缺陷：晶粒间界、挛晶界、小角晶界 和层错等 三、面缺陷 层错：晶体中的某个原子层发生堆积错误 fcc晶体中的正常堆积次序：···ABCABC ··· 体缺陷，如：空洞、气泡和包裹物等 fcc晶体中的层错: ···ABCABABC ···

§4.2热缺陷 一、热缺陷的平衡数目 由热力学可知，在等温过程中，当热缺陷数目达到 平衡时，系统的自由能取极小值： F6=0 ě4nor 1.空位的平衡数目 晶体中原子总数：N 形成一个空位所需能量：u1 晶体中所形成的空位数：n1(N>n1）

§4.2 热缺陷 一、热缺陷的平衡数目 由热力学可知，在等温过程中，当热缺陷数目达到 平衡时，系统的自由能取极小值： 1. 空位的平衡数目 晶体中原子总数：N 形成一个空位所需能量：u1 晶体中所形成的空位数: n1 （N>> n1 ）

由于晶体中出现空位，系统自由能的改变： DF=DU-TDS DU nju S=kplnW,W:系统可能出现的微观状态数 晶体中没有空位时，系统原有的微观状态数为W, 由于出现空位，系统的微观状态数增加W, 假设W和W,相互独立， 有：W=W。W1

由于晶体中出现空位，系统自由能的改变： 晶体中没有空位时，系统原有的微观状态数为W0， 由于出现空位，系统的微观状态数增加W1， 有：W＝ W0 W1 假设W0和W1相互独立， ， W：系统可能出现的微观状态数

S=So+DS=kplnw=kplnWo+kelnW 于是有DS=kglnW 在N+n,个原子位置中出现n,个空位，其微观状态数为： -C9、 N!n！ nkTnkT) NIn! 达到平衡时 A0)-0

达到平衡时 在N+n1个原子位置中出现n1个空位，其微观状态数为： 于是有

利HStiri用公。式当很大，时有：公加x)加 1(DF)》4,-k,Tn(N+n)-mn,且=0 n Ru1δ N+n QN？n1 e41δ Nexpe kaT a

利用Stirling公式，当x很大时，有：