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晶体缺陷的类型

晶体缺陷的类型 

自然界不存在****的晶体,任何晶体中都或 多或少存在晶体缺陷(熵增原理) 

 一、晶体缺陷的产生       实际晶体中的原子(或离子、分子)在受热运动时、 在晶体生长过程中、在冷热加工过程中、在受到高 能粒子或射线的辐射时、在人为掺杂时,都会导致 晶体中原子排列偏离理想状态,从而产生晶体缺陷。 
二、晶体缺陷的分类 
    点缺陷-零维缺陷         空位、间隙原子、置换原子。      线缺陷-一维缺陷          位错。     面缺陷-二维缺陷          晶界、相界、孪晶界、堆垛层错等。 
三、晶体缺陷对材料性能的影响 
    影响材料的性能 
       力学性能、物理性能、化学性能 
    是很多材料制备和加工工艺的基础条件 
          扩散、塑性变形、再结晶、氧化、烧结等  
四、杂质     影响材料的性能 
         力学性能、物理性能、化学性能 
    可以利用掺杂来改善材料的性能 

          如Si掺杂P、B等 

点缺陷 
Schottky空位形成 Frankel空位形成 
1. 金属中空位的形成及分类 
    离开平衡位置的 原子有三个去处: 迁移到晶体表面或 内表面的正常结点 位置上; 挤入点阵的间隙位 置; 跑到其它空位中, 使空位消失或使空 位移位。 
2. 实际晶体中的点缺陷组态 
双空位、三空位或空位团。  空位团塌陷成空位片,形成位错圈。  m个原子均匀地分布在n个原子位置的范围内 (m>n),形成所谓“挤塞子”(crowdion) 。 
3.点缺陷产生的效应 
导致晶格畸变    使晶体的内能升高,降 低了晶体的热力学稳定性。 导致熵增     增大了原于排列的混乱程度,改变了其周围原子 的振动频率,引起组态熵和振动熵的改变,使晶体 熵值增大,增加了晶体的热力学稳定性。      这两个相互矛盾的因素使得晶体中的点缺陷在一 定的温度下有一定的平衡浓度。 
4. 点缺陷形成的热力学分析 空位浓度计算公式推导     假定一个理想晶体中含有N个原子,在一定的条 件下在晶格中产生了n个空位。 
空位浓度计算公式推导     若将一个原子从晶体内部某处移走,则使原来位 置周围原子的配位数改变,即破断了一些*近邻键, 从而相应提高了体系的焓值,这就是空位的形成焓 ∆Hf;同时,也使得空位周围的原子振动模式有所改 变,从而相应改变了熵值,主要是空位的形成熵∆Sf。 所以,一个空位的形成自由能∆Gf为: 
f f f G H S T ∆ =∆ − ∆    如果晶体中含n个空位和N个原子,则因空位的 存在使系统的自由能增加n∆Gf 。 
空位浓度计算公式推导     晶体中空位和原子的可能混合方式有很多种,这 又会增加体系的熵值,这部分熵值称做混合熵或构型 熵∆Sm。混合熵可以由波耳兹曼方程得出: 
m ω lnkS Bm =∆ 式中ωm是n个空位和N个原子在N+n个位置可能的不同 排列方式数,它等于(N+n)!/N!n!。利用Stirling近似式: lnx! ≈ xlnx-x,混合熵∆Sm表达为: 
nnnNnNnNk
nN nNk B Bm ln ln)ln()[( !! )!(lnkS Bm − −++= + ==∆ ω
空位浓度计算公式推导 体系总自由能变化∆G为: nnnNnNnNTk B ln ln)ln()[()ST-Hn(G ff − −+++∆∆=∆
    在给定温度下,d∆G/dn=0对应的n值是平衡态下 体系的空位数。 0lnST-HG ff = + +∆∆= ∆ nN nTk dn d B
)exp()exp( Tk H k S
nN nC
B
f
B
f
v
∆
−
∆
=
+
=
公式内涵 
    空位平衡浓度Cv随温度变化十分强烈。对于很多 金属,∆Hf的范围是0.4~4eV,而exp(∆Sf/kB)~1。     金属的熔点温度越高,其键合能越强,其空位形 成焓也就越高。     在高温时,空位会形成聚合体,即形成双空位、 三空位等,这会引起空位浓度计算结果的准确性。 
-T exp( )exp( ) exp(- ) f f ff
v
B B B S H H SnC N n k k T kT ∆ ∆ ∆ ∆ = = − = +
exp( ) exp( ) f v
v
B G GC k T RT ∆ ∆ = − = −
晶体中存在缺陷的理论解释 
结论:空位是一种热力学平衡的缺陷,即在一定的 温度下,晶体中总是会存在着一定数量的空位,这时 体系的能量处于*低的状态,也就是说,具有平衡空 位浓度的晶体比理想晶体在热力学上更为稳定。 
mf G H T S S S n S ∆ =∆ − ∆ ∆ = + ∆

     对于自间隙原子,可按空位浓度的推导方法得 出其平衡浓度计算公式,两者类似,只是要把空位 浓度公式中的空位形成焓和形成熵改为自间隙原子 形成焓和形成熵。 自间隙原子平衡浓度计算公式推导 
    因为金属晶体结构都是密排或较密排结构,所以 自间隙原子的形成焓比空位的形成焓约大5个数量 级。在正常情况下其平衡浓度很低,一般都可忽略。 
exp( )exp( ) ii ff
i
BB SH
C
k k T ∆∆ = −
5. 空位的形成机制     热起伏促使原于脱离点阵位置而形成的点缺陷称 为热平衡缺陷。当晶体中的点缺陷数量超过了其平 衡浓度时,称为过饱和的点缺陷。     冷变形加工。     高能粒子(如中子、质子、粒子等)的辐照效应。     离子注入。     高温淬火。 

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