《点缺陷及位错》PPT课件.ppt
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1、第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷 第一章讲的晶体学基础,都是假设晶体完全处于理想状第一章讲的晶体学基础,都是假设晶体完全处于理想状态,即晶体严格地按周期性的有规则的排列。态,即晶体严格地按周期性的有规则的排列。然而,对于现实中使用的材料来说,其原子或离子的排然而,对于现实中使用的材料来说,其原子或离子的排列不可能是完全规则的,即存在着晶体缺陷。晶体缺陷有其列不可能是完全规则的,即存在着晶体缺陷。晶体缺陷有其不可避免性。晶体缺陷的存在对于材料性能的影响是不可避免性。晶体缺陷的存在对于材料性能的影响是有利有有利有弊弊的,有时人们要尽量避免、减少缺陷的存在;有时人们又的,有时人们要尽量避免、减少缺陷的
2、存在;有时人们又要有目的地引入某种缺陷以改进材料的性能。对于这些原子要有目的地引入某种缺陷以改进材料的性能。对于这些原子或离子排列上的缺陷,我们必须用一分为二的观点来对待它。或离子排列上的缺陷,我们必须用一分为二的观点来对待它。3.0 晶体缺陷的分类晶体缺陷的分类第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷 按照缺陷区相对于晶体的大小,将晶体缺陷分为按照缺陷区相对于晶体的大小,将晶体缺陷分为4类:类:(1)点缺陷点缺陷 典型代表有典型代表有空位与间隙原子等空位与间隙原子等点缺陷在三维空间各方向上的尺寸都很小,所以也称为零维缺陷。点缺陷在三维空间各方向上的尺寸都很小,所以也称为零维缺陷。如果晶格中某格点上的原
3、子空缺了,则称为如果晶格中某格点上的原子空缺了,则称为空位空位,这是晶体中最重要的点缺陷。,这是晶体中最重要的点缺陷。脱位原子有可能挤入格点的间隙位置,形成脱位原子有可能挤入格点的间隙位置,形成间隙原子间隙原子。(2)线缺陷线缺陷 即位错即位错 线缺陷在两个方向上的尺寸都很小,在另一个方向上延伸较长,也称为一维线缺陷在两个方向上的尺寸都很小,在另一个方向上延伸较长,也称为一维缺陷。缺陷。(3)面缺陷)面缺陷 如晶界、相界、孪晶界、堆垛层错等如晶界、相界、孪晶界、堆垛层错等 面缺陷在两个方向上的尺寸都很大,在另一个方向上尺度较小,也称为二维面缺陷在两个方向上的尺寸都很大,在另一个方向上尺度较小,
4、也称为二维缺陷。缺陷。(4)体缺陷)体缺陷 如沉积相、孔洞、气泡等如沉积相、孔洞、气泡等 体缺陷在三维空间各方向上的尺寸都很大,所以也称为三维缺陷。体缺陷在三维空间各方向上的尺寸都很大,所以也称为三维缺陷。这些缺陷在晶体中的浓度很低,但是对晶体性质的影响却很大。他们经常共这些缺陷在晶体中的浓度很低,但是对晶体性质的影响却很大。他们经常共存,并相互联系,相互制约,在一定的条件下可以相互转化。存,并相互联系,相互制约,在一定的条件下可以相互转化。3.0 晶体缺陷的分类晶体缺陷的分类第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷 点缺陷是最简单的晶体缺陷,它是在结点上或邻近的微观区域内偏离点缺陷是最简单的晶体缺陷,
5、它是在结点上或邻近的微观区域内偏离晶体结构的正常排列的一种缺陷。晶体点缺陷包括晶体结构的正常排列的一种缺陷。晶体点缺陷包括空位、间隙原子、杂空位、间隙原子、杂质或溶质原子质或溶质原子,以及由它们组成的,以及由它们组成的复杂点缺陷,如空位对、空位团和空复杂点缺陷,如空位对、空位团和空位位-溶质原子对溶质原子对等。等。空位和间隙原子是由于原子的热运动而产生的,属于空位和间隙原子是由于原子的热运动而产生的,属于热力学平衡缺陷热力学平衡缺陷。点缺陷与线、面缺陷的区别之一是后者为点缺陷与线、面缺陷的区别之一是后者为热力学热力学不稳定的缺陷不稳定的缺陷。3.1 点缺陷点缺陷 3.1.1 点缺陷的形成点缺陷
6、的形成第三章 晶体缺陷3.1 点缺陷点缺陷 3.1.1 点缺陷的形成点缺陷的形成一是迁移到晶体表面或内表面的正一是迁移到晶体表面或内表面的正常结点位置上,而使晶体内部留下常结点位置上,而使晶体内部留下空位,称空位,称为肖脱基(为肖脱基(Schottky)空)空位;位;3.1 点缺陷点缺陷 3.1.1 点缺陷的形成点缺陷的形成第三章 晶体缺陷二是挤人点阵的间隙位置,而在二是挤人点阵的间隙位置,而在晶体中同时形成数目相等的空位晶体中同时形成数目相等的空位和间隙原子,则称为和间隙原子,则称为弗兰克尔弗兰克尔(Frenkel)缺陷;)缺陷;第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷3.1 点缺陷点缺陷 3.1.1
7、 点缺陷的形成点缺陷的形成三是跑到其他空位中,使三是跑到其他空位中,使空位消失或使空位移位。空位消失或使空位移位。另外,在一定条件下,晶另外,在一定条件下,晶体表面上的原子也可能跑体表面上的原子也可能跑到晶体内部的间隙位置形到晶体内部的间隙位置形成间隙原子成间隙原子 3.1 点缺陷点缺陷 3.1.2 点缺陷的平衡浓度点缺陷的平衡浓度第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷 点缺陷形成的驱动力与温度有关,在一定的温度场下,能够使原子离点缺陷形成的驱动力与温度有关,在一定的温度场下,能够使原子离位形成点缺陷,那么点缺陷的数目会无限制增加吗?位形成点缺陷,那么点缺陷的数目会无限制增加吗?从理论上分析可以知道:
8、从理论上分析可以知道:一定温度下,点缺陷的数目是一定的,这就一定温度下,点缺陷的数目是一定的,这就是点缺陷的平衡浓度。是点缺陷的平衡浓度。3.1 点缺陷点缺陷 3.1.2 点缺陷的平衡浓度点缺陷的平衡浓度第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷 对点缺陷的平衡浓度如何来理解?从热力学的观点:点缺陷平衡浓度对点缺陷的平衡浓度如何来理解?从热力学的观点:点缺陷平衡浓度是矛盾双方的统一。是矛盾双方的统一。(1)一方面,晶体中点缺陷的形成引起了点阵的畸变,使晶体的内能一方面,晶体中点缺陷的形成引起了点阵的畸变,使晶体的内能增加,提高了系统的自由能。增加,提高了系统的自由能。(2)另一方面,由于点缺陷的形成,增加
9、了点阵排列的混乱度,系统另一方面,由于点缺陷的形成,增加了点阵排列的混乱度,系统的微观状态数目发生变化,使体系的组态熵增加,引起自由能下降。的微观状态数目发生变化,使体系的组态熵增加,引起自由能下降。当这对矛盾达到统一时,系统就达到平衡。因为系统都具有最小自当这对矛盾达到统一时,系统就达到平衡。因为系统都具有最小自由能的倾向,由此确定的点缺陷浓度即为该温度下的平衡浓度。由能的倾向,由此确定的点缺陷浓度即为该温度下的平衡浓度。3.1 点缺陷点缺陷 3.1.3 过饱和点缺陷的形成过饱和点缺陷的形成第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷a.热平衡点缺陷:由热起伏促使原子脱离点阵位置而形成的点缺陷,体系热平衡
10、点缺陷:由热起伏促使原子脱离点阵位置而形成的点缺陷,体系自由能最低。自由能最低。b.过饱和点缺陷:利用某些手段使晶体中形成的点缺陷浓度超过了热平衡浓过饱和点缺陷:利用某些手段使晶体中形成的点缺陷浓度超过了热平衡浓度,此时的点缺陷浓度成为过饱和点缺陷。体系自由能高,晶体处于非度,此时的点缺陷浓度成为过饱和点缺陷。体系自由能高,晶体处于非热平衡状态。热平衡状态。3.1 点缺陷点缺陷 3.1.3 过饱和点缺陷的形成过饱和点缺陷的形成第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷某些手段:某些手段:高温淬火高温淬火高温时产生大量的空位,急剧冷却时被保留下来高温时产生大量的空位,急剧冷却时被保留下来冷加工冷加工位错交割
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