武漢理工材料學課件-晶體結構缺陷

第二章晶體結構缺陷 缺陷的含義 通常把晶體點陣結構中周期性勢場的畸變稱為晶體的結構缺陷 理想晶體 質點嚴格按照空間點陣排列 實際晶體 存在著各種各樣的結構的不完整性 研究缺陷的意義 由于缺陷的存在 才使晶體表現(xiàn)出各種各樣的性質 使材料加工 使用過程中的各種性能得以有效控制和改變 使材料性能的改善和復合材料的制備得以實現(xiàn) 因此 了解缺陷的形成及其運動規(guī)律 對材料工藝過程的控制 對材料性能的改善 對于新型材料的設計 研究與開發(fā)具有重要意義 缺陷對材料性能的影響舉例 材料的強化 如鋼 是鐵中滲碳陶瓷材料的增韌半導體摻雜 本章主要內容 2 1晶體結構缺陷的類型 2 2點缺陷 2 3線缺陷 2 4面缺陷 2 5固溶體 2 6非化學計量化合物 掌握缺陷的基本概念 分類方法 掌握缺陷的類型 含義及其特點 熟練書寫點缺陷的缺陷反應方程式 化學平衡方法計算熱缺陷的濃度 了解缺陷在材料性能的改善 新型材料的設計 研究與開發(fā)中的意義 本章要求掌握的主要內容 2 1晶體結構缺陷的類型 分類方式 幾何形態(tài) 點缺陷 線缺陷 面缺陷等形成原因 熱缺陷 雜質缺陷 非化學計量缺陷等 一 按缺陷的幾何形態(tài)分類 本征缺陷 雜質缺陷 點缺陷零維缺陷 線缺陷一維缺陷 位錯 面缺陷二維缺陷 小角度晶界 大角度晶界 攣晶界面 堆垛層錯 體缺陷三維缺陷 包藏雜質 沉淀 空洞 1 點缺陷 零維缺陷 PointDefect缺陷尺寸處于原子大小的數(shù)量級上 即三維方向上缺陷的尺寸都很小 包括 空位 vacancy 間隙質點 interstitialparticle 錯位原子或離子外來原子或離子 雜質質點 foreignparticle 雙空位等復合體 點缺陷與材料的電學性質 光學性質 材料的高溫動力學過程等有關 NowWhatDoYouSee Vacancy Interstitial Vacancies vacantatomicsitesinastructure Self Interstitials extra atomspositionedbetweenatomicsites PointDefects Common Rare Twooutcomesifimpurity B addedtohost A SolidsolutionofBinA i e randomdist ofpointdefects OR Substitutionalalloy e g CuinNi Interstitialalloy e g CinFe ImpuritiesInSolids 8 Impuritiesmustalsosatisfychargebalance Ex NaCl Substitutionalcationimpurity Substitutionalanionimpurity ImpuritiesinCeramics 2 線缺陷 一維缺陷 位錯 dislocation 指在一維方向上偏離理想晶體中的周期性 規(guī)則性排列所產(chǎn)生的缺陷 即缺陷尺寸在一維方向較長 另外二維方向上很短 如各種位錯 dislocation 如圖所示 線缺陷的產(chǎn)生及運動與材料的韌性 脆性密切相關 刃型位錯 刃型位錯示意圖 a 立體模型 b 平面圖 晶體局部滑移造成的刃型位錯 螺型位錯 b 螺型位錯示意圖 a 立體模型 b 平面圖 螺型位錯示意圖 3 面缺陷 面缺陷又稱為二維缺陷 是指在二維方向上偏離理想晶體中的周期性 規(guī)則性排列而產(chǎn)生的缺陷 即缺陷尺寸在二維方向上延伸 在第三維方向上很小 如晶界 表面 堆積層錯 鑲嵌結構等 面缺陷的取向及分布與材料的斷裂韌性有關 面缺陷 晶界 晶界示意圖 亞晶界示意圖 晶界 晶界是兩相鄰晶粒間的過渡界面 由于相鄰晶粒間彼此位向各不相同 故晶界處的原子排列與晶內不同 它們因同時受到相鄰兩側晶粒不同位向的綜合影響 而做無規(guī)則排列或近似于兩者取向的折衷位置的排列 這就形成了晶體中的重要的面缺陷 亞晶界 實驗表明 在實際金屬的一個晶粒內部晶格位向也并非一致 而是存在一些位向略有差異的小晶塊 位向差一般不超過2 這些小晶塊稱為亞結構 亞結構之間的界面稱為亞晶界 面缺陷 堆積層錯面心立方晶體中的抽出型層錯 a 和插入型層錯 b 面缺陷 共格晶面面心立方晶體中 111 面反映孿晶 熱缺陷 雜質缺陷 二按缺陷產(chǎn)生的原因分類 非化學計量缺陷 晶體缺陷 電荷缺陷 輻照缺陷 1 熱缺陷 類型 弗侖克爾缺陷 Frenkeldefect 和肖特基缺陷 Schottkydefect 定義 熱缺陷亦稱為本征缺陷 是指由熱起伏的原因所產(chǎn)生的空位或間隙質點 原子或離子 熱缺陷濃度與溫度的關系 溫度升高時 熱缺陷濃度增加 TE熱起伏 漲落 E原子 E平均原子脫離其平衡位置在原來位置上產(chǎn)生一個空位 熱缺陷產(chǎn)生示意圖 a 單質中弗侖克爾缺陷的形成 空位與間隙質點成對出現(xiàn) b 單質中的肖特基缺陷的形成 表面位置 間隙小 結構緊湊 間隙位置 結構空隙大 Frenkel缺陷 MX Schottky缺陷 2 雜質缺陷 特征 如果雜質的含量在固溶體的溶解度范圍內 則雜質缺陷的濃度與溫度無關 雜質缺陷對材料性能的影響 定義 亦稱為組成缺陷 是由外加雜質的引入所產(chǎn)生的缺陷 基質原子 雜質原子 取代式 間隙式 能量效應 體積效應 體積效應 3 非化學計量缺陷 特點 其化學組成隨周圍氣氛的性質及其分壓大小而變化 是一種半導體材料 定義 指組成上偏離化學中的定比定律所形成的缺陷 它是由基質晶體與介質中的某些組分發(fā)生交換而產(chǎn)生 如Fe1 xO Zn1 xO等晶體中的缺陷 電荷缺陷 質點排列的周期性未受到破壞 但因電子或空穴的產(chǎn)生 使周期性勢場發(fā)生畸變而產(chǎn)生的缺陷 包括 導帶電子和價帶空穴 4 其它原因 如電荷缺陷 輻照缺陷等 輻照缺陷 材料在輻照下所產(chǎn)生的結構不完整性 如 色心 位錯環(huán)等 輻照缺陷對金屬的影響 高能輻照 如中子輻照 可把原子從正常格點位置撞擊出來 產(chǎn)生間隙原子和空位 降低金屬的導電性并使材料由韌變硬變脆 退火可排除損失 輻照缺陷對非金屬晶體的影響