《固体物理》课件：ssp401.ppt

1、第四章晶体结构中的缺陷第四章晶体结构中的缺陷理想完整的晶体中，原子处在有规则的、周期性理想完整的晶体中，原子处在有规则的、周期性排列的格点上，但在实际的晶体中，原子的排列不可排列的格点上，但在实际的晶体中，原子的排列不可能那么完整和规则，经常存在着能那么完整和规则，经常存在着偏离了理想晶体结构偏离了理想晶体结构的区域的区域，这些与完整晶体中周期性点阵结构发生偏离，这些与完整晶体中周期性点阵结构发生偏离的区域就构成了缺陷。缺陷的存在破坏了晶体本身的的区域就构成了缺陷。缺陷的存在破坏了晶体本身的对称性和周期性。对称性和周期性。根据缺陷的几何形状和所涉及的范围可以分为根据缺陷的几何形状和所涉及的范围

2、可以分为点缺点缺陷、线缺陷和面缺陷陷、线缺陷和面缺陷。晶体中的缺陷虽然一般数量不是太大，但它对晶体晶体中的缺陷虽然一般数量不是太大，但它对晶体的许多性质会产生重要影响。如半导体的导电性，金的许多性质会产生重要影响。如半导体的导电性，金属的力学性质等。属的力学性质等。3.1 点缺陷点缺陷点缺陷点缺陷是晶体在一个或几个晶格常数范围内偏离理想是晶体在一个或几个晶格常数范围内偏离理想周期性结构的一种缺陷。周期性结构的一种缺陷。特点：在三维方向的尺寸都与原子尺寸相近。特点：在三维方向的尺寸都与原子尺寸相近。包括包括空位、间隙原子、杂质原子空位、间隙原子、杂质原子等。等。一、点缺陷的形成及种类一、点缺陷的

3、形成及种类晶格点阵中的原子总是在不停地在做热振动，振动的晶格点阵中的原子总是在不停地在做热振动，振动的平均能量为平均能量为Ei，但在一定的温度下，总有一些原子存在，但在一定的温度下，总有一些原子存在一定的概率获得较大的能量而克服平衡位置势阱的束缚，一定的概率获得较大的能量而克服平衡位置势阱的束缚，脱离原来的格点而迁移到其他位置上，而在原来的位置脱离原来的格点而迁移到其他位置上，而在原来的位置上出现空格点，称为上出现空格点，称为空位空位，空位的出现破坏了原来各原空位的出现破坏了原来各原子的力学平衡子的力学平衡，使周围的原子都要略微偏离原来的平衡，使周围的原子都要略微偏离原来的平衡位置，达到新的平

4、衡状态，这样就在空位周围产生了三位置，达到新的平衡状态，这样就在空位周围产生了三个方向都很小的个方向都很小的点阵畸变点阵畸变，形成点缺陷。，形成点缺陷。121)(ieTEiii、肖特基缺陷、肖特基缺陷只形成空位只形成空位晶体中的原子由于热振动的涨落而脱离其平衡位置，如果晶体中的原子由于热振动的涨落而脱离其平衡位置，如果该原子脱离格点后并不在晶体内部形成间隙原子而是迁移到该原子脱离格点后并不在晶体内部形成间隙原子而是迁移到晶体表面上正常格点的位置或者迁移到晶粒间界或位错处。晶体表面上正常格点的位置或者迁移到晶粒间界或位错处。即即只形成空位只形成空位。就属于肖特基缺陷。就属于肖特基缺陷。具体的形成

5、过程可能是具体的形成过程可能是(1)靠近表面或界面的原子迁靠近表面或界面的原子迁移到晶体表面或界面，形成空位，内部的原子再迁移到该空移到晶体表面或界面，形成空位，内部的原子再迁移到该空位上，最后在晶体内部形成空位；位上，最后在晶体内部形成空位；(2)晶体内的原子通过晶体内的原子通过多次跳跃到达晶体表面上格点的位置，而在晶体内部形成空多次跳跃到达晶体表面上格点的位置，而在晶体内部形成空位。位。需要注意的是也存在上述过程的逆过程，即表面的原子和需要注意的是也存在上述过程的逆过程，即表面的原子和内部的空位发生复合而使空位数目减小。内部的空位发生复合而使空位数目减小。一定的温度下，空位应达到平衡浓度。

6、一定的温度下，空位应达到平衡浓度。2、弗兰克尔缺陷、弗兰克尔缺陷产生一个空位和一个间隙原产生一个空位和一个间隙原子子晶体中的原子由于热涨落，获得能量，脱离平衡晶体中的原子由于热涨落，获得能量，脱离平衡位置，如果原子迁移到晶格点阵的间隙之中，同时位置，如果原子迁移到晶格点阵的间隙之中，同时产生一个空位和一个间隙原子产生一个空位和一个间隙原子。这种缺陷是由弗兰克尔首先发现的，因此称为弗这种缺陷是由弗兰克尔首先发现的，因此称为弗兰克尔缺陷。兰克尔缺陷。在一定的温度下，晶体中弗兰克尔缺陷也保持一在一定的温度下，晶体中弗兰克尔缺陷也保持一平衡浓度，它的复合和产生也保持动态平衡。平衡浓度，它的复合和产生也

7、保持动态平衡。3、间隙原子、间隙原子由于热振动能量的涨落，使由于热振动能量的涨落，使晶体表面的原子晶体表面的原子获得获得足够的动能进入足够的动能进入晶体内部格点之间的间隙位置晶体内部格点之间的间隙位置，这，这些位置在理想情况下是不被原子所占据的，从而在些位置在理想情况下是不被原子所占据的，从而在这些被占据的间隙位置形成缺陷，称为间隙原子。这些被占据的间隙位置形成缺陷，称为间隙原子。肖特基缺陷、弗兰克尔缺陷和间隙原子这三种缺陷都是靠肖特基缺陷、弗兰克尔缺陷和间隙原子这三种缺陷都是靠原子热振动能量的涨落产生和运动的，所以称为原子热振动能量的涨落产生和运动的，所以称为热缺陷热缺陷。4 4、杂质原子、

8、杂质原子实际晶体不可避免含有或多或少的杂质，为了改善晶体的实际晶体不可避免含有或多或少的杂质，为了改善晶体的电学光学性能，经常有控制地向晶体掺入少量杂质原子，如电学光学性能，经常有控制地向晶体掺入少量杂质原子，如向向SiSi中掺入中掺入Al,Ga,Al,Ga,或或AsAs，P P等。等。向晶体掺入杂质的方法有很多，如在向晶体掺入杂质的方法有很多，如在晶体生长过程中掺入晶体生长过程中掺入杂质，也可以利用杂质，也可以利用扩散或离子注入扩散或离子注入的方法掺入杂质。的方法掺入杂质。组成晶体的主体原子称为组成晶体的主体原子称为基质原子基质原子，掺入晶体中的异类原，掺入晶体中的异类原子或同位素原子称为子

9、或同位素原子称为杂质原子杂质原子。杂质原子在晶体中占据位置的方式有两种：一种是杂质原杂质原子在晶体中占据位置的方式有两种：一种是杂质原子取代基质原子而占据规则的格点位置，称为子取代基质原子而占据规则的格点位置，称为替位式杂质替位式杂质；一种是杂质原子占据格点之间的间隙位置，称为一种是杂质原子占据格点之间的间隙位置，称为间隙式杂质间隙式杂质。原子半径较小的原子常常以间隙式杂质的方式出现在晶体原子半径较小的原子常常以间隙式杂质的方式出现在晶体中，如中，如C,N,OC,N,O等原子。等原子。二、点缺陷的运动二、点缺陷的运动(a) (b) (C) 晶体中的点缺陷并不是静止不动的，而是处于不断的运动过晶

10、体中的点缺陷并不是静止不动的，而是处于不断的运动过程中。以空位为例，由于原子热振动能量的起伏，有可能使空程中。以空位为例，由于原子热振动能量的起伏，有可能使空位周围的原子获得足够的能量而跳入空位中，使空位发生迁移。位周围的原子获得足够的能量而跳入空位中，使空位发生迁移。空位迁移能空位迁移能：原子处于：原子处于C处的能量比格点处高，高出的那部分处的能量比格点处高，高出的那部分能量即为空位迁移能。能量即为空位迁移能。BACAB空位周围原子的热振动能量起伏是随机的，因而空位周围原子的热振动能量起伏是随机的，因而空位的空位的迁移也是随机的迁移也是随机的，整体上，空位在作不规则的，整体上，空位在作不规则

11、的布朗运动布朗运动。但。但如果晶体内部空位分布不均匀或者晶体内应力场分布不均匀，如果晶体内部空位分布不均匀或者晶体内应力场分布不均匀，就有可能导致大量空位作定向迁移。就有可能导致大量空位作定向迁移。类似的，间隙原子也可以由一个间隙位置迁移到另一个间类似的，间隙原子也可以由一个间隙位置迁移到另一个间隙位置，但一般间隙原子的迁移能比空位的迁移能小得多，隙位置，但一般间隙原子的迁移能比空位的迁移能小得多，间隙原子的迁移要远远超过空位。间隙原子的迁移要远远超过空位。在点缺陷的运动过程中，如果一个间隙原子和一个空位相在点缺陷的运动过程中，如果一个间隙原子和一个空位相遇，间隙原子将落入空位而使两者彼此消失

12、，这一过程称为遇，间隙原子将落入空位而使两者彼此消失，这一过程称为复合（或者湮灭复合（或者湮灭）。如果点缺陷移动到晶界或位错处，点缺）。如果点缺陷移动到晶界或位错处，点缺陷将在那里消亡。陷将在那里消亡。二、热缺陷的统计平衡理论二、热缺陷的统计平衡理论点缺陷是由于晶体中原子的热振动而产生的，在一定的温点缺陷是由于晶体中原子的热振动而产生的，在一定的温度下总是对应着一定数量的点缺陷，可以利用晶体的热力学度下总是对应着一定数量的点缺陷，可以利用晶体的热力学平衡条件计算出点缺陷的平衡条件计算出点缺陷的平衡浓度平衡浓度。TSUF在一定的温度下，点缺陷将从两个方面改变晶体的自由能，一方在一定的温度下，点缺

13、陷将从两个方面改变晶体的自由能，一方面，点缺陷的产生需要能量，因而点缺陷的存在使系统的内能增面，点缺陷的产生需要能量，因而点缺陷的存在使系统的内能增加加 U，另一方面，由于点缺陷的存在使系统的无序度增加，因此，另一方面，由于点缺陷的存在使系统的无序度增加，因此晶体的熵增大晶体的熵增大 S，结果使晶体自由能减小，而自由能总的变化为，结果使晶体自由能减小，而自由能总的变化为STUF晶体的稳定性与其导致的自由能的变化有关。在一定的晶体的稳定性与其导致的自由能的变化有关。在一定的温度下，点缺陷的数量应使晶体的自由能达到最小值。这温度下，点缺陷的数量应使晶体的自由能达到最小值。这时点缺陷的浓度称为在该温

14、度下的时点缺陷的浓度称为在该温度下的平衡浓度平衡浓度ns。根据上式确定点缺陷的平衡浓度与温度之间的关系必须做根据上式确定点缺陷的平衡浓度与温度之间的关系必须做如下假设：如下假设：(1)晶体中含有晶体中含有N个完全相同的原子，晶体的体积与温度无关；个完全相同的原子，晶体的体积与温度无关；(2)点缺陷的形成能与温度无关；点缺陷的形成能与温度无关；(3)点缺陷的数目较少，之间没有相互作用，是相互独立的；点缺陷的数目较少，之间没有相互作用，是相互独立的；(4)晶格振动的频率不受缺陷的影响。晶格振动的频率不受缺陷的影响。对于肖特基缺陷，设晶体有对于肖特基缺陷，设晶体有N个格点位置，个格点位置，ns表示点

15、缺陷数目，表示点缺陷数目，在在N个格点位置形成个格点位置形成ns个空格点的方式有个空格点的方式有!)!(!ssnNnnNNCPss0nFn 为点缺陷数目为点缺陷数目kTssssssssssssssssssssssNenNnnNnkTnnNkTnFnnnNnNNNkTnFnnnNnNNNknnNNkPskSlnln0 1ln1)ln(0ln)ln()(lnln)ln()(ln!)!(!lnlnNNNNln!ln对于弗兰克尔缺陷，设晶体有对于弗兰克尔缺陷，设晶体有N个格点位置，个格点位置，N个间隙个间隙位置，要在位置，要在N个格点位置产生个格点位置产生nF个空位，并且在个空位，并且在N 个个间隙位

16、置填入间隙位置填入nF个原子，其几率为个原子，其几率为lnln)ln()(lnln)ln()(ln!)!(!)!(!lnln!)!(!)!(!NNkTnFnnnNnNNNnnnNnNNNknnNNnnNNkPkSnnNNnnNNPFFFFFFFFFFFFFFFFFFkTFkTFFFFFFFFFFFFFFFFFeNNneNNnnNnNnkTnnNnNkTnnNnnNkTnF222)(ln0ln2)ln()ln( 1ln1)ln(1ln1)ln(kTlleNnF是形成一个是形成一个弗兰克尔缺陷所需的能量弗兰克尔缺陷所需的能量对于间隙原子可以类似得到对于间隙原子可以类似得到4.2 晶体中的扩散及其微

17、观机制晶体中的扩散及其微观机制晶体中的原子借助无规则热运动在晶体中的传输过程晶体中的原子借助无规则热运动在晶体中的传输过程称为称为扩散扩散。一、扩散第一定律一、扩散第一定律稳态扩散稳态扩散：扩散过程中各点的浓度不随时间而变化。：扩散过程中各点的浓度不随时间而变化。扩散流密度扩散流密度：单位时间通过垂直于扩散方向的单位面积的：单位时间通过垂直于扩散方向的单位面积的扩散物质的流量。扩散物质的流量。费克早在费克早在1885年，通过数据分析发现，在稳态扩散条件年，通过数据分析发现，在稳态扩散条件下，通过某处的扩散流密度与该处的浓度梯度成正比。下，通过某处的扩散流密度与该处的浓度梯度成正比。xCDj费克

18、（费克（Fick）第一定律，）第一定律，D扩散系数，扩散系数，C扩散物浓扩散物浓度度二、扩散第二定律二、扩散第二定律稳态扩散只是特例，实际问题中往往是稳态扩散只是特例，实际问题中往往是C随位置变化也随位置变化也随时间变化。随时间变化。非稳态扩散条件下，在扩散体中取一微小体积单元，非稳态扩散条件下，在扩散体中取一微小体积单元，其宽度为其宽度为dx，截面积为，截面积为A，j1、j2分别表示流入和流出的分别表示流入和流出的扩散流密度，则在单位时间内扩散流密度，则在单位时间内流入为流入为流出为流出为净流入为净流入为而而所以所以22321312211)()(xCDxjtCdxtCAtCAdxMdxxjA

19、MMMAdxxjjAjMAjMdxj1j2三维情况下，对于立方晶体，三维情况下，对于立方晶体，D为标量，扩散方程为为标量，扩散方程为)(222222zCyCxCDtC)()()(zCDzyCDyxCDxtC当当D与空间位置无关时与空间位置无关时三、扩散的微观机制三、扩散的微观机制晶体中原子的扩散与晶体中的缺陷及其运动有关，有必要先讨论缺陷晶体中原子的扩散与晶体中的缺陷及其运动有关，有必要先讨论缺陷的运动。的运动。缺陷的运动是一种缺陷的运动是一种跨越势垒跨越势垒的过程，以间隙原子为例，晶体中的间隙的过程，以间隙原子为例，晶体中的间隙位置是间隙原子的平衡位置，能量是最低的，间隙位置之间是一个能量位

20、置是间隙原子的平衡位置，能量是最低的，间隙位置之间是一个能量势垒，一般有势垒，一般有 几个几个eV的能量，而室温下原子振动能只有的能量，而室温下原子振动能只有kBT(0.026eV)数量级，间隙原子要从一个间隙位置跳到另一个间隙位置，必须依靠偶数量级，间隙原子要从一个间隙位置跳到另一个间隙位置，必须依靠偶然性的统计涨落获得高于势垒的能量。设势垒高度为然性的统计涨落获得高于势垒的能量。设势垒高度为El，按照玻耳兹曼，按照玻耳兹曼统计，粒子依靠热涨落获得能量统计，粒子依靠热涨落获得能量El的几率与成正的几率与成正比，如果间隙原子在平衡位置附近振动的频率为比，如果间隙原子在平衡位置附近振动的频率为0

21、1，每次振动都是间隙，每次振动都是间隙原子跨越势垒的一次机会，因此，单位时间内间隙原子跨越势垒的次数原子跨越势垒的一次机会，因此，单位时间内间隙原子跨越势垒的次数为为)exp(TkEBl)exp(1)exp(01111011TkEPTkEPBlBl间隙原子跳跃间隙原子跳跃一步的时间为一步的时间为对于空位也有类似的结果，临近空位的原子跳对于空位也有类似的结果，临近空位的原子跳到空位上也必须跨越势垒，设势垒高度为到空位上也必须跨越势垒，设势垒高度为Ev，设，设原子的振动频率为原子的振动频率为0v，原子获得能量，原子获得能量Ev的几率为的几率为)exp(TkEBV)exp(1)exp(010TkEP

22、TkEPBVVVVBVVV单位时间内原子跨越势垒的次数为单位时间内原子跨越势垒的次数为空位跳跃一步空位跳跃一步的时间为的时间为晶体中的扩散与缺陷的运动有关晶体中的扩散与缺陷的运动有关。发生在晶体中的扩散有两类：一类是外来发生在晶体中的扩散有两类：一类是外来杂质杂质的扩的扩散；另一类是散；另一类是自扩散自扩散，即基质原子的扩散。，即基质原子的扩散。以以自扩散自扩散为例讨论为例讨论从微观角度考虑，扩散是粒子的布朗运动，布朗运从微观角度考虑，扩散是粒子的布朗运动，布朗运动中反映粒子无规则运动快慢的参数是动中反映粒子无规则运动快慢的参数是布朗行程的平布朗行程的平方均值方均值，而扩散系数是反映粒子扩散快

23、慢的参数，二，而扩散系数是反映粒子扩散快慢的参数，二者之间关系为者之间关系为Dx22是粒子完成一次布朗行程所需时间的统计平均值是粒子完成一次布朗行程所需时间的统计平均值自扩散有两种机制：空位机制和间隙原子机制自扩散有两种机制：空位机制和间隙原子机制(1) 空位机制空位机制扩散粒子与空位互换位置进行迁移，只有当扩散粒子扩散粒子与空位互换位置进行迁移，只有当扩散粒子周围有一个空位时，原子才有可能跨越势垒跳跃一次，周围有一个空位时，原子才有可能跨越势垒跳跃一次，完成一次布朗运动。而空位机制，完成一次布朗运动。而空位机制，x=a(格点间距离格点间距离)，跳跃一次所用时间是跳跃一次所用时间是v，而扩散原

24、子周围出现空位的概率，而扩散原子周围出现空位的概率为，即空位平均跳跃次，经历为，即空位平均跳跃次，经历时间才能靠近扩散原子。时间才能靠近扩散原子。VnNNnVVVnN22ax )exp(21)exp()exp(2220210222TkEaTkETkanNaxDnNBVVVBVVBVvVVVV+EV表示激活能，表示激活能，)exp(21012TkEaDBll(2) 间隙原子机制间隙原子机制4.3 色心色心一、色心一、色心晶体中的点缺陷借助于它们的有效电荷而束缚住电子或空穴，如果这晶体中的点缺陷借助于它们的有效电荷而束缚住电子或空穴，如果这些电子或空穴的些电子或空穴的激发导致可见光谱区的光吸收激发

25、导致可见光谱区的光吸收，则称这些点缺陷为，则称这些点缺陷为色色心心。例如，离子晶体中的某些点缺陷是带有效电荷的中心，它们可能束缚例如，离子晶体中的某些点缺陷是带有效电荷的中心，它们可能束缚电子，这种缺陷结构能吸收可见光而使晶体着色。以碱卤化物最为明电子，这种缺陷结构能吸收可见光而使晶体着色。以碱卤化物最为明显，因为没有色心的晶体对于从紫外到红外是完全透明的，色心的出显，因为没有色心的晶体对于从紫外到红外是完全透明的，色心的出现使晶体明显着色，出现颜色是因为在原来透明的光谱范围内，出现现使晶体明显着色，出现颜色是因为在原来透明的光谱范围内，出现了吸收带。了吸收带。可以通过下列方式使晶体着色：可以

26、通过下列方式使晶体着色：(1) 掺入化学杂质，在晶体中形成吸收中心。掺入化学杂质，在晶体中形成吸收中心。 (2) 引入过量的金属离子，形成负离子空位，正电性的负离子空位束缚引入过量的金属离子，形成负离子空位，正电性的负离子空位束缚住从金属原子中电离出来的电子，形成可见光的吸收中心。住从金属原子中电离出来的电子，形成可见光的吸收中心。 (3) X射线、射线、 射线、中子或电子束轰击晶体形成损伤，使晶体产生点缺射线、中子或电子束轰击晶体形成损伤，使晶体产生点缺陷。陷。二、色心的形成过程二、色心的形成过程最常见的色心是最常见的色心是F心，以心，以F心为例说明。心为例说明。F心是离子晶体中的一个负离子

27、空位束缚一个电子形心是离子晶体中的一个负离子空位束缚一个电子形成的，可以看做是在空位处的一种电子陷阱，可以采成的，可以看做是在空位处的一种电子陷阱，可以采用用方势阱模型方势阱模型来模拟负离子空位与其束缚电子之间的来模拟负离子空位与其束缚电子之间的相互作用，并计算束缚电子的能量本征值。设势阱的相互作用，并计算束缚电子的能量本征值。设势阱的边长为边长为a/2（a为晶格常数），则束缚电子的能量本征为晶格常数），则束缚电子的能量本征值为值为23222122222)2(2nnnnamhnEn222)2(2amhE电子从基态跃迁到第一激发态所吸收的能量为电子从基态跃迁到第一激发态所吸收的能量为与该能量所对

28、应的吸收带在可见光光谱范围内，即与该能量所对应的吸收带在可见光光谱范围内，即形成色心。形成色心。负离子空位负离子空位离子晶体在可见光区各有一个吸收带称为离子晶体在可见光区各有一个吸收带称为F带，吸收带的带，吸收带的峰位在随晶体种类不同，吸收带的宽度随温度升高而加宽。峰位在随晶体种类不同，吸收带的宽度随温度升高而加宽。其实际上对应一条吸收谱线，但由于晶格振动，使各个色心其实际上对应一条吸收谱线，但由于晶格振动，使各个色心处的处的a大小不同，从而使大小不同，从而使 E 不同。不同。三、色心的种类三、色心的种类F心：心：V心：若将碱卤晶体在心：若将碱卤晶体在卤素蒸汽卤素蒸汽中加热，然后骤冷，即会形中

29、加热，然后骤冷，即会形成成V心，并出现心，并出现v带。带。 M心：两个相临的心：两个相临的F心构成心构成M心。心。 R心：三个相临的心：三个相临的F心构成心构成R心。心。4.4 线缺陷线缺陷位错是晶体中的一维缺陷位错是晶体中的一维缺陷。缺陷区是细长的管状区域，管。缺陷区是细长的管状区域，管内的原子排列是混乱的，破坏了点阵的周期性。内的原子排列是混乱的，破坏了点阵的周期性。位错的概念是在位错的概念是在1934年提出的，当时只是一种设想，主要年提出的，当时只是一种设想，主要是因为有很多实验现象很难用理想晶体的模型来解析，其中是因为有很多实验现象很难用理想晶体的模型来解析，其中最大的一个问题就是晶体

30、的实际强度远低于其理论强度，所最大的一个问题就是晶体的实际强度远低于其理论强度，所谓晶体的实际强度就是实验测得的单晶体的临界分切应力，谓晶体的实际强度就是实验测得的单晶体的临界分切应力，其值约为其值约为10-410-8G （G-晶体的剪切模量晶体的剪切模量），）， ，而理论强，而理论强度则是按照度则是按照完整晶体刚性滑移模型完整晶体刚性滑移模型计算的强度，按照此模型，计算的强度，按照此模型，晶体滑移时晶体各部分是作为刚体而相对滑移的，连接滑移晶体滑移时晶体各部分是作为刚体而相对滑移的，连接滑移面两边的原子的结合键将同时断裂。理论值约为面两边的原子的结合键将同时断裂。理论值约为0.1G ,修正修

31、正后也只有后也只有G/300.01G。二者相差三个量级。二者相差三个量级。理论强度和实际强度的巨大差别迫使人们放弃完整晶体的理论强度和实际强度的巨大差别迫使人们放弃完整晶体的刚性滑移模型，人们推想，晶体中一定存在某种缺陷，缺陷刚性滑移模型，人们推想，晶体中一定存在某种缺陷，缺陷区内的原子处于不稳定状态，因而很容易运动，致使晶体的区内的原子处于不稳定状态，因而很容易运动，致使晶体的滑移过程是滑移过程是首先在缺陷区发生局部滑移首先在缺陷区发生局部滑移，然后局部滑移区不，然后局部滑移区不断扩大导致晶体的滑移。这种引起局部滑移的缺陷就是位错。断扩大导致晶体的滑移。这种引起局部滑移的缺陷就是位错。局部的

32、滑移局部的滑移 滑移过程图滑移过程图 一、位错的类型一、位错的类型当晶体受到外力的作用发生局部滑移时，当晶体受到外力的作用发生局部滑移时，在已滑移区在已滑移区和未滑移区中间的过渡地带形成原子排列的紊乱区域，和未滑移区中间的过渡地带形成原子排列的紊乱区域，即位错即位错。根据局部滑移的方向和位错线的方向可以把位错分为：根据局部滑移的方向和位错线的方向可以把位错分为：刃型位错；螺型位错；混合位错。刃型位错；螺型位错；混合位错。位错线垂直于滑移方向位错线垂直于滑移方向也可以看成是通过在完整也可以看成是通过在完整晶体中插入半个原子面而晶体中插入半个原子面而形成的，半原子面的边缘形成的，半原子面的边缘就是

33、刃型位错线，像刀刃，就是刃型位错线，像刀刃，所以称为刃位错。所以称为刃位错。(1) 刃型位错刃型位错BCAD远离位错线原子位远离位错线原子位移移a，因而滑移面，因而滑移面两侧的原子仍然对两侧的原子仍然对齐，但在位错线附齐，但在位错线附近原子的位移小于近原子的位移小于a，形成螺旋线，形成螺旋线 螺位错原螺位错原子排列图子排列图(2) 螺型位错螺型位错位错线平行于滑移方向位错线平行于滑移方向(3) 混合位错混合位错位错线和滑移方向成任意角度位错线和滑移方向成任意角度 当位错线既不平行于也不垂直于滑移方向时，可以当位错线既不平行于也不垂直于滑移方向时，可以将晶体的滑移分解为平行于边界线的位移分量将晶

34、体的滑移分解为平行于边界线的位移分量acos 和垂直于边界线的分量和垂直于边界线的分量asin ，也就是将位错看成是，也就是将位错看成是螺型位错和刃型位错混合而成的，所以称为混合位错。螺型位错和刃型位错混合而成的，所以称为混合位错。纯刃型和螺型位错都必须是直线形状，混合位错可纯刃型和螺型位错都必须是直线形状，混合位错可以是直线、曲线或封闭曲线以是直线、曲线或封闭曲线。位错的产生使位错线周围几个晶格常数范围内晶格位错的产生使位错线周围几个晶格常数范围内晶格畸变，破坏了晶格的周期性，畸变，破坏了晶格的周期性，如何表示晶格畸变的程如何表示晶格畸变的程度？度？3. 柏格斯回路和柏格斯矢量柏格斯回路和柏

35、格斯矢量首先在含有位错的实际晶体中做一闭合回路，从首先在含有位错的实际晶体中做一闭合回路，从晶体中任一原子出发，沿晶体中任一原子出发，沿逆时针方向逆时针方向围绕位错，但围绕位错，但要避开位错线，回路中也不能包含其它缺陷。再在要避开位错线，回路中也不能包含其它缺陷。再在参考的理想晶体中做一个步数相同，方向相同的回参考的理想晶体中做一个步数相同，方向相同的回路，显然该回路不能闭合，为了使回路闭合，必须路，显然该回路不能闭合，为了使回路闭合，必须从终点向起点从终点向起点引一矢量引一矢量b使回路闭合。则矢量使回路闭合。则矢量b称为称为实际晶体中位错的柏格斯矢量。实际晶体中位错的柏格斯矢量。刃型位错的柏

36、格斯矢量垂直于位错线刃型位错的柏格斯矢量垂直于位错线螺型位错的柏格斯矢螺型位错的柏格斯矢量与于位错线平行量与于位错线平行 1. 杂质原子与位错杂质原子与位错 由于位错线附近晶格畸变，晶体中的杂质原子会在位错由于位错线附近晶格畸变，晶体中的杂质原子会在位错线处聚集。当比基质原子小的杂质原子进入晶体时，倾向线处聚集。当比基质原子小的杂质原子进入晶体时，倾向于在刃型位错线上部晶格受压缩的区域，而比基质原子大于在刃型位错线上部晶格受压缩的区域，而比基质原子大的杂质原子进入晶体时，则倾向于处在刃型位错线下部晶的杂质原子进入晶体时，则倾向于处在刃型位错线下部晶格受扩张的区域，以此减小晶体的形变势能。格受扩张的区域，以此减小晶体的形变势能。2. 位错的攀移位错的攀移刃位错可以在垂直于滑移面的方向运动，从而使位错离刃位错可以在垂直于滑移面的方向运动，从而使位错离开原来的滑移面。开原来的滑移面。多余半原子面缩小正攀移多余半原子面缩小正攀移多余半原子面扩大负攀移多余半原子面扩大负攀移3. 位错与小角晶界位错与小角晶界 二、与位错有关的现象与性质二、与位错有关的现象与性质D D为相邻位错间的距为相邻位错间的距离，离，b b为原子间距为原子间距Dbtg小角晶界小角晶界