《固体电子学基础》全册配套完整教学课件2.pptx（730页）

1、等离子态等离子态气态气态液态液态固态固态玻玻色色-爱因斯坦凝聚态爱因斯坦凝聚态(BEC）凝聚态物理凝聚态物理自然界的物质是由一百多种元素以及元素间的化合物组成的。物质可分为五五种状态种状态：固态、液态、气态、等离子态及BE凝聚态。 固、液、气三态是在常温和大气压的条件下定义的。在温度、压力改变时，固、液、气三态可互相转化三态可互相转化。自然界以及人工合成的所有物质，在合适的温度和压力下都可以变成固态。温度升高温度升高物物质质的的状状态态二十世纪以前，人们二十世纪以前，人们仅仅从材料仅仅从材料规则的外规则的外形形来推测材料来推测材料内部的内部的微观结构微观结构！?“凡草木花多五出凡草木花多五出,

2、 ,雪花独六出雪花独六出” - - 韩诗外传韩诗外传西汉西汉雪花的六角对称性是其内部周期性结构的体现雪花的六角对称性是其内部周期性结构的体现 - - 六角雪花论六角雪花论J. Kepler （16111611） 17841784年年 法国学者阿羽依法国学者阿羽依晶体是由无数个具有多面体形状的原始晶体是由无数个具有多面体形状的原始“组成单元组成单元”在三维空间无间在三维空间无间隙地平行堆砌而成隙地平行堆砌而成 18481848年年 法国学者布拉斐法国学者布拉斐( (A ABravaisBravais): ): 空间点阵空间点阵1890 年：费多罗夫年：费多罗夫(E.S. Fedorov) 189

3、1 年：熊夫里斯年：熊夫里斯 (A. Schnflies) 空间群论空间群论晶体微观结构的几何理论晶体微观结构的几何理论R.J. HayE.S. Fedorov（1）关于晶体比热的杜隆杜隆-珀替珀替定律；（2）关于金属导热和导电性质的魏德曼魏德曼-佛兰兹佛兰兹定律;（3）二十世纪初特鲁德特鲁德和洛伦兹洛伦兹建立了经典的金属自由电子论等。 近代物理学的发展，使人们对固体的认识进入了一个新的阶段，X射线提供了人类直接窥探晶体内部结构的工具。根据所积累的大量实验事实在十九世纪人们还总结了若干重要重要的经验规律的经验规律18951895年：伦琴发现年：伦琴发现 X X 射线射线。1912年：年： 劳厄

4、劳厄(M. von Laue)， 弗里德里希弗里德里希(W. Feriederich)， 克尼平克尼平(P. Knipping) 晶体晶体X射线实验，验证了晶体结构的周期性。射线实验，验证了晶体结构的周期性。量子力学：描述晶体内微观粒子的运动规律量子力学：描述晶体内微观粒子的运动规律),(),(2121txxxHtxxxtnn 量子理论使人们能更加深入和比较正确地描述晶体内部微观粒子的运动过程。爱因斯坦爱因斯坦引进量子化概念来研究晶格振动；在特鲁德特鲁德和洛伦兹洛伦兹建立了经典的金属自由电子论的基础上，索末菲索末菲发展了固体量子论；此外，费米费米发展了统计理论。为研究晶体中电子运动的过程指明了

5、方向。 二十世纪三十年代，进行了关于晶体中电子能量状态、电子运动规律以及晶体中原子的热运动和热缺陷的研究工作。 人们对固体的认识开始由表及里，由宏观人们对固体的认识开始由表及里，由宏观到微观、由定性到定量，由现象到本质。到微观、由定性到定量，由现象到本质。 在这些研究的基础上，逐渐地建立了固体电子态理固体电子态理论论（能态论）和晶格动力学晶格动力学，固体的能带论提出了导电的微观机理，指出了导体与绝缘体的区别，并断定有一类固体，它们的导电性质介于两者之间，即半导体半导体。二十世纪四十年代末、五十年代初，以锗、硅为代表的半导体单晶的出现并制成了晶体三极管，进而产生了半导体物理。这标志着固体物理学发

6、展过程这标志着固体物理学发展过程又一飞跃。又一飞跃。 半导体物理半导体物理促使固体物理获得了大发展，半导体器件以及其他固体器件的发展、特别是集成电路的发展使无线电电子技术、计算技术、自动控制技术发生了空前的革新，并且推动了宇宙航行、原子能利用和生产自动化等等的发展。在这过程中，生产的发展和军事国防的需要以及其他学科的发展对固体物理学的发展起着很大的促进作用。 课程安排第一章 晶体的结构和晶体的结合第二章 晶格振动和晶体的缺陷 固体物理基本理论第三章 能带论基础第四章 半导体中的载流子第五章 p-n结第六章 固体表面及界面接触现象第七章 固体的光学性质与固体中的光电现象 半导体物理1.1 晶体特

7、征 为什么要研究晶体结构 1.2 晶格周期性的描述1.3 一些晶体的实例1.4 晶向 晶面及标记 晶体体结构的标记方法1.5 倒格子1.6 晶体宏观对称性及其对称操作1.7 七大晶系 14种原胞 晶体结构的分类 1.8 晶体衍射的一般介绍 测量晶体结构的方法1.9 X射线衍射方程 反射公式 1.10 晶体的结合 不同晶体结构的成因 晶体的微观结构影响晶体的宏观性能，使得晶体具有一些与众不同的特点 1 微观结构的有序无序对固体性能的影响 非晶体按内部结构是否有序分为 准晶体 晶体非晶体：在微米级范围内粒子无序排列（长程无序）形成的固体晶体：至少在微米级范围粒子按一定规则周期有序排列（长程有序）形

8、成的固体具有“平移对称旋转对称性”的特点。准晶体：无周期平移不变性但有某些取向旋转对称性1984年Shechtman等用快速冷却方法制备AlMn合金，经对电子衍射谱分析，发现有五重对称（旋转2/5）的衍射斑点分布的存在，导致一种新的有序相 准晶(quasicrystal)的发现。2 同样是晶体，不同的有序程度也会表现出不同的宏观性能石墨石墨 (Graphite)金刚石金刚石(Diamond)Robert F. CurlH.W. KrotoR. E. Smalley 富勒烯富勒烯(Fullerenes )1996年年R. Buckminster Fuller (1895-1983)C60C70碳

9、纳米管碳纳米管(Carbon Nanotubes)S.Ijima, Nature 358, 220 (1991)石墨烯石墨烯(Graphene)A. K. Geim, Science 306, 666 (2004) 一些晶体的实例1、简单立方、简单立方1）将原子球在一个平面内按正）将原子球在一个平面内按正方排列形成原子层方排列形成原子层2）将原子层按图所示沿垂直层）将原子层按图所示沿垂直层面方向叠加起来就得到简单立方面方向叠加起来就得到简单立方结构，其最小的重复结构单元结构，其最小的重复结构单元（原胞）如图（原胞）如图2、体心立方、体心立方1）原子球按正方形式铺开形成）原子球按正方形式铺开形成

10、一原子层，计为原子层，类似一原子层，计为原子层，类似排列形成另一原子层，计为原排列形成另一原子层，计为原子层子层2）将）将B层原子放在层四个原子层原子放在层四个原子的间隙里，第二层的每个球和第的间隙里，第二层的每个球和第一层的四个球紧密相切，如图，一层的四个球紧密相切，如图，按按AB ABAB.次序沿垂直于层次序沿垂直于层面方向叠加起来就得到体心立方。面方向叠加起来就得到体心立方。体心立方如图所示体心立方如图所示Li、Na、K、Rb、Cs、Fe等金属为典型的等金属为典型的具有体心立方晶格的金属具有体心立方晶格的金属3、面心立方面心立方晶体的原胞和简单立方相似，所不同的是，除立方体顶角上有原子外

11、，在立方体的六个面的中心还有六个原子。贵金属（如Cu、Al、Ni等）具有面心立方结构。4、 六角密积结构1）原子球平铺在平面上，任意一个球都与六个球相切，每三个相切的球的中心构成一等边三角形，且每个球的周围有六个空隙，这样构成一原子层，计为原子层。2）类似排列形成另一原子层，计为原子层。3）将B层的球放在层相间的3个空隙里，B层每个球和A层三个球紧密相切。4）按AB AB AB .次序沿垂直于层面方向叠加起来就得到六角密排结构B,Mg,Zn等具有六角密积结构5、 金刚石结构金刚石由碳原子构成，其结构可以看成是由面心立方结构演变而来的，即：在一个面心立方原胞的基础上在体内再额外加四个原子，体内四

12、个原子分别位于四个空间对角的1/4处。整个金刚石晶格可以看成是由沿体对角线相互位移四分之一对角线长度的两个面心立方晶格套构而成。重要的半导体材料，如Ge、Si等，都有四个价电子，其晶体结构和金刚石相同6、闪锌矿结构和金刚石结构相似，所不同的是，在立方体顶角和面心处的原子与体内原子分别属于不同的元素。许多重要的化合物半导体，如InSb、ZnS、GaAs、InP等均是闪锌矿结构。7、钙钛矿结构钙钛矿结构是指钛酸钙(CaTiO3)的结构在立方体顶角上是Ca，Ti位于立方体的体心处，O位于立方体六个面心处。如果把OI、OII、OIII连接起来，则它们构成等边三角形，整个原胞中共有8个这样的三角形面，围

13、成一个八面体，通常称为氧八面体。整个结构可看成氧八面体的排列，其中Ti位于氧八面体中心，而Ca则在8个氧八面体的间隙里。铁电体：BaTiO3、PbZrO3、LiNbO3、LiTaO3铁磁体： (La,Ca)MnO31、基元 晶体可以由一种或多种原子（或离子）组成，它们构成晶体的基本结构单元，称为基元。 将基元在空间中按一定方式作周期性重复就形成了具有一定结构的晶体。碳60晶体晶体基元是一个包含60个碳原子组成的巴基球2、格点 用位于原子平衡位置的几何点替代每一个原子，结果得到一个与晶体几何特征相同、但无任何物理实质的几何图形。处于原子平衡位置的几何点称为格点。3、结点空间点阵学说中所称的点子，

14、代表着结构中相同的位置，称为结点。如果晶体由完全相同的一种原子组成，结点一般认为是原子本身的位置，也可以将原子周围相应点的位置看作为结点如果晶体中含有数种原子，则将基元的重心选择为结点4、点阵结点在空间周期性排列的总体，称为点阵5、晶格通过点阵中的结点，可以作许多平行的直线族和平行的晶面族这样，点阵就成为一些网格，称为晶格6、布喇菲格子和复式格子如果晶体由完全相同的一种原子组成，则由格点组成的网格和由结点组成的网格相同，这样的网格称为布喇菲格子如果晶体包含两种或两种以上的原子，则不同的原子各自构成自身的布喇菲格子（子晶格），若干个相同的布喇菲格子相互位移套构而形成所谓的复式格子。整个金刚石晶格

15、可以看成是由沿体对角线相互位移四分之一对角线长度的两个面心立方晶格套构而成。7. 原胞 一个晶格中最小的重复单元一维布喇菲格子原胞，即最小重复单元，为一个原子加上原子周围长度为a的区域两种选择a二维布喇菲格子原胞，由相邻的四个原子构成的面积最小的平行四边形8. 基矢 原胞的边矢量一维布喇菲格子基矢 a=ai二维布喇菲格子基矢 a1 a2 （1）（2）三维布喇菲格子三维格子的重复单元是平行六面体例如：简单立方原胞对应体积最小的重复单元基矢 是原胞的三个边矢量 9 晶胞 除了周期性外，每种晶体还有自己特殊的对称性。为了同时反映晶格的对称性，往往会取最小重复单元的一倍或几倍的晶格单位作为原胞。结晶学

16、中常用这种方法选取原胞，故称为结晶学原胞，简称晶胞。晶胞的边在晶轴方向，边长等于该方向上的一个周期，代表晶胞三个边的矢量称为晶胞基矢，用ai、bj、ck表示，这三个矢量的长度a、b和c实际上就是所谓的晶格常数。在一些情况下，晶胞就是原胞例如简单立方晶格而在另一些情况下，晶胞不是原胞例如面心立方晶格10 晶格周期性的描述 格矢任意两个格点间的位移矢量，即格矢量，简称格矢对于简单格子，一旦基矢被确定，则任一原子A的位置可由下列格矢表示 l1、l2、l3为一组整数晶格周期性 物理性质若代表晶体的任一物理性质（如电场强度、电子云密度等），由于晶格的周期性，则有上式表明：一个重复单元中任一r处的物理性质

17、，同另一个重复单元相应处的物理性质相同（1）简单立方原胞体积体积V=a3（2）体心立方原胞 由立方体的中心到三个顶点引三个基矢体积体积V=a3（3）面心立方原胞 由立方体的顶点到三个近邻的面心引三个基矢体积体积V=a3（4）六角密积结构晶列通过任何两个格点连一直线，则这直线上包含无限个相同的格点，这样的直线称为晶体的晶列。晶列上格点的分布具有周期性，周期为晶列上任何两相邻格点的间距由于所有格点周围情况相同，因此通过任何其它的格点都有一晶列和原来晶列平行且具有相同的周期，这些平行的直线可以将所有格点包括无遗。在一个平面中相邻晶列间距离相等晶向通过一格点可以有无限多个晶列，其中每一个晶列都有一族平

18、行的晶列与之对应，所以共有无限多族的平行晶列。每一族晶列定义了一个方向，称为晶向。晶向指数同族晶列中的晶列相互平行，并且完全等同，所以一族晶列的特点是晶列的取向。如何描述晶列的取向？晶向指数原胞为最小的重复单元，格点只在原胞的顶角上，若取某一格点O为原点，为原胞的三个基矢则任何一个格点A的位矢可以表示为：很明显，晶列OA的取向被l1、l2、l3三个整数所确定。类似于直角坐标系中，知道一个矢量在x、y、z三个方向上的投影，这个矢量则被唯一确定。若l1、l2、l3为互质整数，则可直接用这三个互质整数来表示该晶列的方向；若l1、l2、l3不为互质整数，则先要将这三个数简约为互质整数。称为晶向指数 用

19、晶向指数表示晶列方向l1、l2、l3为一组整数在结晶学中，以 为晶胞基矢，结点的位矢可写成m、n、p不一定是整数，但乘上公倍数后，可得到一组整数m、n、p ，并有称为晶列指数对二维布喇菲格子，求(1)和(2)两晶列的晶向指数(1)上离原点最近的格点位矢为所以晶向指数为(2)上离原点最近的格点位矢为所以晶向指数为对三维布喇菲格子，求OA晶列的晶向指数OA晶列上离原点最近的格点位矢为所以晶向指数为求简立方格子立方边OA、面对角线OB和体对角线OC的晶向指数立方边OA的晶向指数为1, 0, 0面对角线OB的晶向指数为1, 1, 0 体对角线OC的晶向指数为1, 1, 1立方边共有6个不同的晶向，晶向

20、指数分别为面对角线共有12个不同的晶向体对角线共有8个不同的晶向由于立方晶格的对称性，每一组晶向中所有晶向是等效的，因此，常常用、和分别表示边、面对角和体对角线的晶向。晶面 晶体内三个非共线格点组成的平面在一晶面外过其它格点作一系列与原晶面平行的晶面，可得到一组等距的晶面，各晶面上格点的分布情况是相同的，这组等距的晶面称为一族晶面。所有的格点都在一族平行的晶面上而无遗漏。同一个格子两组不同的晶面族密勒指数与晶列相似，同族晶面中的晶面完全等同，所以晶面的特点也由其取向决定。由于一族晶面必包含了所有格点而无遗漏，因此，在三个基矢末端的格点必分别落在该族的不同晶面上。a1末端上格点所在的晶面和原点所

21、在晶面的间距应当为h1d，d为相邻晶面间的面间距，h1为整数a2, a3末端上格点所在的晶面和原点所在晶面的间距应当分别为h2d和h3d，h2和h3均为整数最靠近原点的晶面在三个基矢上的截距分别为W. K. Rntgen 电子式X射线管是一个真空度很高（1.33105）的真空管，管中有两个金属电极，阳极是某种金属的磨光面（通常称之为“靶”） ，阴极用钨丝卷成，阴极外面有一个金属聚光罩，其作用是使电子束聚焦。 当当X射线照射到物体上时，会发生散射和光电射线照射到物体上时，会发生散射和光电效应等现象效应等现象 。一衍射的概念一衍射的概念二二. 衍射条件和衍射方向衍射条件和衍射方向三三. 衍射线的强

22、度衍射线的强度 如果用一束连续如果用一束连续X射线照射一块晶片，在晶射线照射一块晶片，在晶片后面放一张用黑纸包裹着的未感光的照相底片后面放一张用黑纸包裹着的未感光的照相底片，经过一段时间照射后，将底片定影，我们片，经过一段时间照射后，将底片定影，我们将会看到该底片上除了灰蒙蒙的背景和透射光将会看到该底片上除了灰蒙蒙的背景和透射光束造成的斑点外，还有一些小斑点。束造成的斑点外，还有一些小斑点。 底底片片晶晶体体准直光栏准直光栏X射射线线1O2 晶体中各原子对入射晶体中各原子对入射X射线产生的射线产生的相干散射相干散射线在某些特定的方向上干涉加强，形成强度较线在某些特定的方向上干涉加强，形成强度较

23、大的大的X射线射线，这种现象称为，这种现象称为X射线在晶体中的衍射线在晶体中的衍射。由相干散射线叠加形成的强度较大的射。由相干散射线叠加形成的强度较大的X射线射线称为称为X射线的衍射线。射线的衍射线。 X射线在晶体中的衍射服从劳埃方程和布拉射线在晶体中的衍射服从劳埃方程和布拉格定律。也就是说，格定律。也就是说， X射线在晶体中产生衍射必射线在晶体中产生衍射必须满足须满足劳埃方程劳埃方程和和布拉格方程布拉格方程，衍射方向服从，衍射方向服从光学镜面反射定律光学镜面反射定律。布拉格方程光学镜面反射定律X射线在晶体中的衍射遵守布拉格定律 反射线、入射线与反反射线、入射线与反射面的法线共面且在射面的法线

24、共面且在法线两侧，反射线与法线两侧，反射线与反射面的夹角等于入反射面的夹角等于入射线与反射面的夹角。射线与反射面的夹角。 X射线的衍射方向遵守射线的衍射方向遵守光学镜面反射定律。光学镜面反射定律。 X射线要产生衍射必须满足布拉格方程射线要产生衍射必须满足布拉格方程2d sin = 式中，式中，d 为衍射面的面网间距，为衍射面的面网间距，为入射为入射线与衍射面的夹角，线与衍射面的夹角， 为入射线的波长。为入射线的波长。 它是英国物理学家布拉格父子于它是英国物理学家布拉格父子于1912年年首先推导出来的。首先推导出来的。 该方程反映了该方程反映了X射线的衍射条件。射线的衍射条件。 如图所示，由AA

25、两原子产生的散射线的光程差为= QAQ PAP = SA + TA 因为 SA = TA = dhkl sin所以 = 2dhkl sin 根据相干波的干涉原理，光程差必须等于入根据相干波的干涉原理，光程差必须等于入射线波长的整数倍，不同面网上的原子产生的散射线波长的整数倍，不同面网上的原子产生的散射线才能干涉加强，所以，产生衍射的条件是：射线才能干涉加强，所以，产生衍射的条件是：2dhkl sin = n （n为整数）为整数） 这就是著名的布拉格方程，是这就是著名的布拉格方程，是X射线晶体学射线晶体学中最基本的公式。式中的中最基本的公式。式中的n称为衍射级数。称为衍射级数。n=1时时产生的衍

26、射为一级衍射，产生的衍射为一级衍射，n=2时产生的衍射为二时产生的衍射为二级衍射，余类推。级衍射，余类推。 实际工作中，为了方便，一般将面网族（实际工作中，为了方便，一般将面网族（hkl）的）的n级衍射作级衍射作为假想的面网族（为假想的面网族（nh nk nl）的一级衍线来考虑。）的一级衍线来考虑。 我们把布拉格公式作一点变形，将我们把布拉格公式作一点变形，将n移到方程左边，有移到方程左边，有 (2dhkl/n) sin = 由晶面指数的定义可由晶面指数的定义可知，（知，（nh nk nl）晶面与）晶面与（hl）晶面平行，且）晶面平行，且面间距面间距 d nh nk nl = d hkl/n

27、代入上式得代入上式得 2d nh nk nl sin = 衍射级数衍射级数n与晶面指数（与晶面指数（hkl）的乘积）的乘积（nh nk nl）称为）称为衍射指数衍射指数，并用（，并用（HKL）来表示。引入衍射指数的概念之后，布拉格来表示。引入衍射指数的概念之后，布拉格方程中的衍射级数方程中的衍射级数n就可以省掉了。就可以省掉了。 2d nh nk nl sin = 2d HKL sin = 实际上，为了书写方便往往把式中的衍实际上，为了书写方便往往把式中的衍射指数也省略了，布拉格公式就简化为射指数也省略了，布拉格公式就简化为2dsin = 在实际晶体中，由于原子（或离子、分子）的在实际晶体中，

28、由于原子（或离子、分子）的热运动，以及晶体的形成条件、冷热加工过程和其热运动，以及晶体的形成条件、冷热加工过程和其它辐射、杂质等因素的影响，实际晶体中原子的排它辐射、杂质等因素的影响，实际晶体中原子的排列不可能那样规则、完整，常存在各列不可能那样规则、完整，常存在各种偏离理想种偏离理想结构的情况，即晶体缺陷。晶体缺陷对晶体的性能，结构的情况，即晶体缺陷。晶体缺陷对晶体的性能，特别是对那些结构敏感的性能，如屈服强度、断裂特别是对那些结构敏感的性能，如屈服强度、断裂强度、塑性、电阻率、磁导率等有很大的影响。另强度、塑性、电阻率、磁导率等有很大的影响。另外晶体缺陷还与扩散、相变、塑性变形、再结晶、外

29、晶体缺陷还与扩散、相变、塑性变形、再结晶、氧化、烧结等有着密切关系。因此，研究晶体缺陷氧化、烧结等有着密切关系。因此，研究晶体缺陷具有重要的理论与实际意义。具有重要的理论与实际意义。Schottky Schottky 缺陷（肖特基缺陷）缺陷（肖特基缺陷）Frenkel Frenkel 缺陷（缺陷（弗仑克尔弗仑克尔缺陷）缺陷）有序合金中的错位有序合金中的错位化学缺陷化学缺陷置换式置换式填隙式填隙式本征缺陷本征缺陷1.1 1.1 弗仑克尔缺陷（弗仑克尔缺陷（Frenkel defectFrenkel defect） 金属和离子晶体中都会由于热运动的能量涨金属和离子晶体中都会由于热运动的能量涨落，使

30、原子或离子脱离格点进入晶体中的间隙位落，使原子或离子脱离格点进入晶体中的间隙位置，从而同时出现空位和填隙原子（离子）。这置，从而同时出现空位和填隙原子（离子）。这种成对的空位和填隙原子称为弗仑克尔缺陷。种成对的空位和填隙原子称为弗仑克尔缺陷。 在离子晶体中，正、负离子都可以各自形在离子晶体中，正、负离子都可以各自形成成“空穴空穴填隙离子对填隙离子对”（弗仑克尔缺陷）。（弗仑克尔缺陷）。Frenkel 缺陷（空位缺陷（空位-间隙缺陷）间隙缺陷）1.2 肖特基缺陷（Schottky defect）。 在一定温度，晶体中原子由于热涨落获得足够能量，离开格点位置，迁移至晶体表面，于是在晶体中出现不被原

31、子占据的空格点，称为空位，也称肖特基缺陷。 肖特基缺陷是最表面的原子位移到一个新的位置，晶体内不伴随填隙原子产生。因此产生肖特基缺陷时，伴随表面原子的增多，晶体的质量密度会有所减小。注意 形成填隙原子时，原子挤入间隙位置所需要的能量比产生肖特基空位所需能量大，因此当温度不太高时，肖特基缺陷的数目要比弗仑克尔缺陷的数目大得多。Schottky 缺陷（空位缺陷）缺陷（空位缺陷）有序合金中的错位有序合金中的错位化学缺陷化学缺陷置换式置换式填隙式填隙式正离子正离子负离子负离子离子晶体中的点缺陷离子晶体中的点缺陷87 纯净卤化碱晶体在光谱的整个可见光波段中是透明的 引入化学杂质 引入过量的金属离子 X

32、射线或 g 射线辐射，中子或电子轰击 电解 色心是能吸收可见光的晶体缺陷 寻常的晶格空位并不使卤化碱晶体赋色，虽然它会影响紫外区的吸收。有好几种方法可使晶体赋色色心88F 心 名字“F 心”来自德文 Farbe (彩色) 一词。一般产生色心的方法是将晶体在过量碱金属中加热或用 X 射线辐射卤化碱晶体中与 F 心联系的中心吸收带 ( F 带)89 用电子自旋共振方法对 F 心的研究表明，它由一个负离子晶格空位束缚一个电子构成 束缚于负离子空位的电子主要分布在近邻晶格空位的诸正金属离子上90 当超量的碱金属原子加入到卤化碱晶体中时，就会产生相应个数的负离子空位。碱金属原子的价电子并不被原子束缚，最

33、终被束缚于一个负离子晶格空位 在完整晶格中，一个负离子晶格空位的作用犹如一个孤立的正电荷，它能吸引一个电子并将它束缚 F 心是卤化碱晶体中最简单的俘获电子中心，其光吸收是由于中心通过电偶跃迁跃至一个束缚激发态所引起91卤化碱晶体中的其他色心 F 心六个最近邻离子中的某一个若为另一个不同的碱金属离子所代换，就成为 FA 心92两个相邻的 F 心构成一个 M 心 复合的俘获电子中心由 F 心小组构成三个相邻的 F 心构成一个 R 心这是 NaCl 结构中 111 面上的一组三个负离子空位+三个电子93 也能通过俘获空穴而形成色心 空穴色心有别于电子色心：卤素离子填满的 p6 壳层中出现一个空穴将使

34、此离子具有正电子组态 p5，而在 p6 壳层已填满的碱金属离子中添加一电子其电子组态即为 p6s p6s 组态像一球对称的离子； p5 却像一个非对称的离子，并通过杨-特勒 (Jahn-Teller) 效应使其在晶体中的近邻局域常发生畸变94 F 心的反形体是一个被陷俘于一正离子晶格空位的空穴，但这中色心还没有在卤化碱晶体的相关实验中被证实 绝缘体氧化物中的O-(称为 V-)缺陷是典型的空穴色心 最典型的空穴色心是 VK 心。卤化碱晶体中，一个空穴陷俘于一卤离子时即形成这种色心VK 心类似于一负的卤族分子离子。如 KCl 中，它像一 离子-2Cl 1-大的置换原子 4-复合空位 2-肖脱基空位

35、 5-弗兰克尔空位 3-异类间隙原子 6-小的置换原子2. 2. 点缺陷与材料行为点缺陷与材料行为 结构变化结构变化：晶格畸变（如空位引起晶格收缩，间隙晶格畸变（如空位引起晶格收缩，间隙原子引起晶格膨胀，置换原子可引起收缩或膨胀）。原子引起晶格膨胀，置换原子可引起收缩或膨胀）。 性能变化性能变化：点缺陷可以使材料的物理性质与力学点缺陷可以使材料的物理性质与力学性质产生变化。性质产生变化。（1 1）引起金属材料电阻的增加。）引起金属材料电阻的增加。 晶体中存在点缺陷时，破坏了原子排列的规律性，晶体中存在点缺陷时，破坏了原子排列的规律性， 使电子迁移时的散射增加，从而增加了电阻。使电子迁移时的散射

36、增加，从而增加了电阻。（2 2）晶体密度下降。）晶体密度下降。空位的存在使晶体的密度下降。空位的存在使晶体的密度下降。（3 3）高温蠕变。）高温蠕变。空位的存在及其运动是晶体高温下发生蠕变的重要原因。空位的存在及其运动是晶体高温下发生蠕变的重要原因。 热振动产生的点缺陷属于热力学平衡缺陷，即热振动产生的点缺陷属于热力学平衡缺陷，即在一定的温度下，晶体中一定存在一定数量的点缺在一定的温度下，晶体中一定存在一定数量的点缺陷。平衡浓度的点缺陷对材料的力学性能的影响并陷。平衡浓度的点缺陷对材料的力学性能的影响并不大，但在高温下空位的浓度很高，空位在材料变不大，但在高温下空位的浓度很高，空位在材料变形时

37、的作用就不能忽略了。形时的作用就不能忽略了。 （4 4）原子或分子的扩散就是依靠点缺陷的运动实现的。）原子或分子的扩散就是依靠点缺陷的运动实现的。 晶体中的点缺陷处于不断的运动状态。当空位周围晶体中的点缺陷处于不断的运动状态。当空位周围原子的热运动动能超过激活能时，就可能脱离原来的结原子的热运动动能超过激活能时，就可能脱离原来的结点位置而跳跃到空位。正是依据这一机制，空位发生不点位置而跳跃到空位。正是依据这一机制，空位发生不断的迁移，同时伴随原子的反向迁移。间隙原子也在晶断的迁移，同时伴随原子的反向迁移。间隙原子也在晶格的间隙中不断运动。空位和间隙原子的运动是晶体内格的间隙中不断运动。空位和间

38、隙原子的运动是晶体内原子扩散的内部原因，原子的扩散就是依靠点缺陷的运原子扩散的内部原因，原子的扩散就是依靠点缺陷的运动而实现的。动而实现的。2.2.2 2.2.2 线缺陷（位错）线缺陷（位错） 位错是晶体中已滑移区和未滑移区的交线，位错线并不是位错是晶体中已滑移区和未滑移区的交线，位错线并不是几何学所定义的线，从微观看来，它是有一定宽度的管道。几何学所定义的线，从微观看来，它是有一定宽度的管道。 人们是从研究晶体的塑性变形中才认识到晶体中存在着位人们是从研究晶体的塑性变形中才认识到晶体中存在着位错。位错对晶体的强度与断裂等力学性能起着决定性的作用。错。位错对晶体的强度与断裂等力学性能起着决定性

39、的作用。同时，位错对晶体的扩散与相变等过程也有一定的影响。同时，位错对晶体的扩散与相变等过程也有一定的影响。 1. 1. 位错的类型位错的类型位错位错刃位错刃位错螺位错螺位错 当晶体内沿着某一条线附近的原子排列发生畸变，破坏了当晶体内沿着某一条线附近的原子排列发生畸变，破坏了晶格周期性时就形成了线缺陷。线缺陷就是晶格周期性时就形成了线缺陷。线缺陷就是“位错位错”。 晶体中已滑移区与未滑移区的边界线（即位错线）晶体中已滑移区与未滑移区的边界线（即位错线）若垂直于若垂直于滑移方向滑移方向，则会存在一多余半排原子面，则会存在一多余半排原子面，它象一把刀刃插入晶体中，使此处上下两部分晶体它象一把刀刃插

40、入晶体中，使此处上下两部分晶体产生原子错排，这种晶体缺陷称为刃位错。多余半产生原子错排，这种晶体缺陷称为刃位错。多余半排原子面在滑移面上方的称正刃型位错，记为排原子面在滑移面上方的称正刃型位错，记为“”；相反，半排原子面在滑移面下方的称负刃；相反，半排原子面在滑移面下方的称负刃型位错，记为型位错，记为“”刃位错（刃位错（edge dislocation）：）：刃位错刃位错刃位错的运动刃位错的运动（a a）正攀移）正攀移（半原子面缩短）（半原子面缩短）(b)(b)未攀移未攀移（c c）负攀移）负攀移（半原子面伸长）（半原子面伸长）位错攀移在低温下是难以进行的，只有在高温下才可能发生。位错攀移在低

41、温下是难以进行的，只有在高温下才可能发生。 BC螺位错螺位错（screw dislocationscrew dislocation）假定在一块简单假定在一块简单立方晶体中，沿某一晶面切立方晶体中，沿某一晶面切一刀至一刀至BCBC处，处，然后在晶体的右侧上部施加一切应力，然后在晶体的右侧上部施加一切应力，使右端上下两部分晶体相对滑移一个原子间距，由于使右端上下两部分晶体相对滑移一个原子间距，由于BCBC线左边晶体未线左边晶体未发生滑移，于是出现了已滑移区与未滑移区的边界发生滑移，于是出现了已滑移区与未滑移区的边界BC.BC.从俯视角度看，从俯视角度看，在滑移区上下两层原子发生了错动，晶体点阵畸变

42、最严重的区域内的在滑移区上下两层原子发生了错动，晶体点阵畸变最严重的区域内的两层原子平面变成螺旋面。畸变区的尺寸与长度相比小得多，在这畸两层原子平面变成螺旋面。畸变区的尺寸与长度相比小得多，在这畸变区范围内称为螺型位错，已滑移区和未滑移区的变区范围内称为螺型位错，已滑移区和未滑移区的交线交线BCBC称之为螺型称之为螺型位错线。位错线。螺位错的运动螺位错的运动螺位错与刃位错的主要区别：螺位错与刃位错的主要区别：螺型位错线与晶体滑移方向平行，且位错线的移动方向与螺型位错线与晶体滑移方向平行，且位错线的移动方向与晶体滑移方向互相垂直。晶体滑移方向互相垂直。纯螺型位错的滑移面不是唯一的。凡是包含螺型位

43、错线纯螺型位错的滑移面不是唯一的。凡是包含螺型位错线的平面都可以作为它的滑移面。但实际上，滑移通常是的平面都可以作为它的滑移面。但实际上，滑移通常是在那些原子在那些原子密排面密排面上进行。上进行。刃型位错线与晶体滑移方向垂直，位错线的移动方向与刃型位错线与晶体滑移方向垂直，位错线的移动方向与晶体滑移方向互相平行。晶体滑移方向互相平行。刃型位错滑移面只有一个。刃型位错滑移面只有一个。 混合位错混合位错混合位错的滑移混合位错的滑移2. 2. 线缺陷与材料的行为线缺陷与材料的行为由于晶体中位错的滑移，使得实际材料的屈服强度较由于晶体中位错的滑移，使得实际材料的屈服强度较理想晶体的屈服强度低理想晶体的

44、屈服强度低2-4个数量级。个数量级。按位错滑移方式发生塑性变形要比两个相邻原子面整体相对滑按位错滑移方式发生塑性变形要比两个相邻原子面整体相对滑移容易得多，因此晶体的实际强度比理论强度低得多。移容易得多，因此晶体的实际强度比理论强度低得多。去除外力的作用后，能恢复的变形称之为去除外力的作用后，能恢复的变形称之为弹性变形弹性变形，不能恢复的变形称之为不能恢复的变形称之为塑性变形塑性变形。 无论是何种材料，在载荷的作用下，都要产生一些无论是何种材料，在载荷的作用下，都要产生一些变化，我们管它叫变化，我们管它叫变形变形。 对材料力学性能的影响对材料力学性能的影响位错不能中断于晶体内部，可在表面露头，

45、或终止位错不能中断于晶体内部，可在表面露头，或终止于晶界或相界，于晶界或相界， 或与其它位错相交，或自行封闭成或与其它位错相交，或自行封闭成环。环。 屈服强度（屈服强度（yield strength）: 屈服强度是试样在拉伸屈服强度是试样在拉伸过程中，开始产生塑性变形所须的应力。过程中，开始产生塑性变形所须的应力。强度（强度（strength）:是材料或物件经得起变形的能力。是材料或物件经得起变形的能力。实际金属发生塑性变形是通过位错的运动来实现的实际金属发生塑性变形是通过位错的运动来实现的. .实际晶体的强度实际晶体的强度, ,主要取决于位错运动的阻力主要取决于位错运动的阻力. .对材料化学

46、性能的影响对材料化学性能的影响 位错区域能量高，有利于化学反应的成核。位错区域能量高，有利于化学反应的成核。 从微观来看，位错线是有一定宽度的管道，它从微观来看，位错线是有一定宽度的管道，它们可以组成列管式的小角度晶界，或者发生交互们可以组成列管式的小角度晶界，或者发生交互作用形成四通八达的三维网络，加快粒子的扩散作用形成四通八达的三维网络，加快粒子的扩散及化学反应。及化学反应。透射电子显微镜下观察到不锈钢的位错线与位错线缠结透射电子显微镜下观察到不锈钢的位错线与位错线缠结2.2.3 2.2.3 面缺陷面缺陷面缺陷面缺陷是发生在晶格二维平面上的缺陷，其特征是发生在晶格二维平面上的缺陷，其特征是

47、在一个方向上的尺寸很小，而另两个方向上的是在一个方向上的尺寸很小，而另两个方向上的尺寸很大，也可称二维缺陷。尺寸很大，也可称二维缺陷。面缺陷面缺陷晶界晶界亚晶界亚晶界孪晶界孪晶界相界相界堆垛层错堆垛层错1. 面缺陷的分类面缺陷的分类材料的表面是最显而易见的面缺材料的表面是最显而易见的面缺陷。在垂直于表面方向上，平移陷。在垂直于表面方向上，平移对称性被破坏了。由于材料是通对称性被破坏了。由于材料是通过表面与环境及它其材料发生相过表面与环境及它其材料发生相互作用，所以表面的存在对材料互作用，所以表面的存在对材料的物理化学性能有重要的影响。的物理化学性能有重要的影响。常见的氧化、腐蚀、磨损等自然常见

48、的氧化、腐蚀、磨损等自然现象都与表面状态有关。现象都与表面状态有关。晶界是不同取向的晶粒之间的界面，由于晶界原子需晶界是不同取向的晶粒之间的界面，由于晶界原子需要同时适应相邻两个晶粒的位向，就必须从一种晶粒要同时适应相邻两个晶粒的位向，就必须从一种晶粒位向逐步过渡到另一种晶粒位向，成为不同晶粒之间位向逐步过渡到另一种晶粒位向，成为不同晶粒之间的过渡层，因而晶界上的原子多处于无规则状态或两的过渡层，因而晶界上的原子多处于无规则状态或两种晶粒位向的折衷位置上。种晶粒位向的折衷位置上。晶界晶界( ( grain boundaries ) )多多晶晶体体结结构构示示意意图图钢中的晶粒（其中黑线为晶界）

49、钢中的晶粒（其中黑线为晶界） 图图2-50 纯铁的微观结构照片纯铁的微观结构照片亚晶界（亚晶界（sub-boundaries）晶粒内部也不是理想晶体，而晶粒内部也不是理想晶体，而是由位向差很小的称为嵌镶块是由位向差很小的称为嵌镶块的小块所组成，称为亚晶粒。的小块所组成，称为亚晶粒。亚晶粒的交界称为亚晶界。亚晶粒的交界称为亚晶界。晶粒之间位向差较大，亚晶粒晶粒之间位向差较大，亚晶粒之间位向差较小。大于之间位向差较小。大于10101515的晶界称为大角度晶界。的晶界称为大角度晶界。各晶粒之间的界面属于大角度各晶粒之间的界面属于大角度晶界。亚晶界是小角度晶界，晶界。亚晶界是小角度晶界，位向差小于位向

50、差小于1 ，其结构可以，其结构可以看成是位错的规则排列。看成是位错的规则排列。小角倾侧晶界（由一列刃型位错构成）小角倾侧晶界（由一列刃型位错构成）孪晶是指两个晶体孪晶是指两个晶体( (或一个晶体的两部分或一个晶体的两部分) )沿一个沿一个公共晶面构成镜面对称的位向关系，这两个晶体公共晶面构成镜面对称的位向关系，这两个晶体就称为就称为“孪晶孪晶(twin)(twin)”，此公共晶面就称孪晶面，此公共晶面就称孪晶面 。孪晶界孪晶界( ( twin boundaries ) ) 共格孪晶界共格孪晶界 半共格孪晶界半共格孪晶界界面共有原子界面共有原子共格孪晶界就是在孪晶面上的原子同时位于两个晶体点阵的