《材料科学基础》课程教学课件（PPT讲稿）晶体的点缺陷

第三章晶体缺陷理想晶体：整个晶体完全是晶胞规则重复排列实际晶体：存在一些不完整、原子排列偏离理想状态的区域一晶体缺陷晶体中的缺陷极大的影响材料性能（晶体生长、扩散、相变、强度、塑性及变形、导热率、导电率等）V纯铁抗拉强度15MPa→0.4wt%的C原子后抗拉强度几百个Mpa。V100万个硅原子中若掺杂2个磷原子一→电导率提高500万倍。√人为制造“缺陷”：合金化、掺杂、扩散、热处理等工艺手段，通过设计、控制“缺陷”的数量、种类和多少，改善材料性能缺陷过量或过大，材料强度就急剧下降

第三章 晶体缺陷 理想晶体：整个晶体完全是晶胞规则重复排列 实际晶体：存在一些不完整、原子排列偏离理想状态的区域→晶体缺陷 晶体中的缺陷极大的影响材料性能(晶体生长、扩散、相变、强度、塑性及变形、 导热率、导电率等) ✓ 纯铁抗拉强度15MPa→ 0.4wt%的C原子后抗拉强度几百个Mpa。 ✓ 100万个硅原子中若掺杂2个磷原子 → 电导率提高500万倍。 ✓人为制造 “缺陷”：合金化、掺杂、扩散、热处理等工艺手段，通过设计、控制 “缺陷”的数量、种类和多少，改善材料性能 ✓ 缺陷过量或过大，材料强度就急剧下降

错位缺陷本征缺陷空位缺陷点缺陷（零维缺陷）间隙缺陷杂质缺陷取代缺陷位错晶体线缺陷缺陷一维缺陷）位错处的杂质原子小角晶粒间界面缺陷李晶界面（二维缺陷）堆垛层错包藏杂质体缺陷沉淀（三维缺陷）空洞导带电子电子缺陷价态空穴

3.1点缺陷3.1.1点缺陷类型空位：正常结点没能被原子或离子所占据填隙原子：原子进入晶格中正常结点之间的间隙位置S杂质原子：外来原子进入晶格取代原来的原子进入正常位置或进入间隙1空位MMMXMXXXXXMXMXMMXMXMXMMMXXMXX正立

3.1 点缺陷 3.1.1 点缺陷类型 ➢ 空位：正常结点没能被原子或离子所占据 ➢ 填隙原子：原子进入晶格中正常结点之间的间隙位置 ➢ 杂质原子：外来原子进入晶格取代原来的原子进入正常位置或进入间隙 空位 M+ M+ M+ M+ M+ M+ X M+ X X X X X X X M+ M+ M+ M+ M+ M+ M+ X M+ X X X X X X 正离子空位 负离子空位

填隙原子：原子进入晶体中正常结点之间的间隙位置，填隙质点可以是晶体自身的质点，也可以是外来杂质的质点杂质原子：外来杂质质点进入晶体中生成缺陷，可以进入间隙位置，也可以进入结点位置间隙杂原子置换杂原子

填隙原子:原子进入晶体中正常结点之间的间隙位置,填隙质点可以是晶体自身的 质点，也可以是外来杂质的质点 杂质原子：外来杂质质点进入晶体中生成缺陷，可以进入间隙位置，也 可以进入结点位置 间隙杂原子 置换杂原子

V肖特基缺陷（Schottkydefect)晶体原子运动到晶体表面，在体内留下空位，不形成间隙原子V弗伦克尔缺陷(Frenkeldefect）晶体原子运动到晶体原子间隙，形成等量的空位和间隙原子正离子负离子

✓ 肖特基缺陷(Schottky defect) 晶体原子运动到晶体表面，在体内留下空位，不形成间隙原子 ✓ 弗伦克尔缺陷(Frenkel defect) 晶体原子运动到晶体原子间隙，形成等量的空位和间隙原子

影响因素：晶体结构OCa2oCI-ONa'FNaCI型晶体结构莹石(CaF2)型晶体结构√萤石型结构中存在很大间隙位置，容易生成填隙离子，产生弗仑克尔缺陷VNaCI型晶体中间隙较小，不容易产生弗仑克尔缺陷

莹石(CaF2 )型晶体结构 影响因素：晶体结构 NaCl型晶体结构 ✓ 萤石型结构中存在很大间隙位置，容易生成填隙离子，产生弗仑克尔缺陷 ✓ NaCl型晶体中间隙较小，不容易产生弗仑克尔缺陷

3.1.1点缺陷表示带有效电荷缺陷名称在晶体中的位置空位缺陷：月用V表示，VMVVNaVclV填隙原子：1角标表示间隙位置，MX；Na；Cl取代原子：LM表示L处在M的位置上，CaMg带正电荷：用表示，VciNaCa"CaNa带负电荷：用＇表示，Vna'Cl’Naca不带电荷：CaMg

3.1.1 点缺陷表示 ➢ 空位缺陷：用V表示，VM Vx VNa VCl ➢ 填隙原子：角标i表示间隙位置，Mi Xi Nai Cli ➢ 取代原子：LM表示L处在M的位置上，CaMg 带有效电荷 在晶体中的位置 缺陷名称 ➢ 带正电荷：用 ·表示，VCl · Nai · Cai ·· CaNa · ➢ 带负电荷：用 ′ 表示，VNa ′ Cli ′ NaCa ′ ➢ 不带电荷：CaMg

3.1.2点缺陷形成的物理模型(1）点缺陷的物理本质是什么？(2）点缺陷形成的驱动力来自何处？晶体中的原子受到两种作用力：原子间吸引力VS原子间的斥力+作用力平衡条件下，原子有各自的平衡位置+原子在平衡位置上以一定的频率和振幅作振动一原子的热振动1原子被束缚平衡位置上，温度越高，振动得越快，振幅越大1温度足够高，原子振幅变很大，挣脱周围原子对其束缚，成为“自由的”原子1原子处在非正常格点上即间隙位置，成为间隙原子，原来的格点上留下了空位点缺陷形成的驱动力：温度V热平衡缺陷：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√过饱和缺陷：高温平衡时晶体中存在一定浓度空位，快速冷却到较低的温度，晶体中的空位来不及移出晶体，造成晶体中的空位浓度超过平衡值→非平衡状态，有恢复到平衡态的热力学趋势，但在动力学上要一时间过程

3.1.2 点缺陷形成的物理模型 (1)点缺陷的物理本质是什么？ (2)点缺陷形成的驱动力来自何处？ 晶体中的原子受到两种作用力：原子间吸引力 VS 原子间的斥力 ↓ 作用力平衡条件下，原子有各自的平衡位置 ↓ 原子在平衡位置上以一定的频率和振幅作振动→原子的热振动 ↓ 原子被束缚平衡位置上，温度越高，振动得越快，振幅越大 ↓ 温度足够高，原子振幅变很大，挣脱周围原子对其束缚，成为“自由的” 原子 ↓ 原子处在非正常格点上即间隙位置，成为间隙原子，原来的格点上留下了空位 ✓ 热平衡缺陷：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 ✓ 过饱和缺陷：高温平衡时晶体中存在一定浓度空位，快速冷却到较低的温度，晶体中 的空位来不及移出晶体，造成晶体中的空位浓度超过平衡值 → 非平衡状态，有恢复到平衡态的热力学趋势，但在动力学上要一时间过程 点缺陷形成的驱动力：温度

点缺陷的数自会无限制增加吗？√浓度是温度的函数，对于某一特定材料，在一定温度下，缺陷浓度是恒定的√随着温度升高，缺陷浓度呈指数上升3.1.2点缺陷的平衡浓度√点缺陷引起点阵的畸变，使晶体的内能增加一→系统自由能升高√点缺陷增加了点阵排列的混乱度，系统微观状态数目发生变化，使体系的组态炳增加一→系统自由能下降系统达到平衡，具有最小自由能，由此确定的点缺陷浓度即为该温度下的平衡浓度

✓ 浓度是温度的函数，对于某一特定材料，在一定温度下，缺陷浓度是恒定的 ✓ 随着温度升高，缺陷浓度呈指数上升 点缺陷的数目会无限制增加吗？ 3.1.2 点缺陷的平衡浓度 ✓ 点缺陷引起点阵的畸变，使晶体的内能增加 → 系统自由能升高 ✓ 点缺陷增加了点阵排列的混乱度，系统微观状态数目发生变化，使体系的组态 熵增加 → 系统自由能下降 ↓ 系统达到平衡，具有最小自由能，由此确定的点缺陷浓度即为该温度下的平衡 浓度