4晶体中的缺陷和扩散

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1、第四章晶体中的缺陷和扩散§4.1晶格缺陷的主要类型一、点缺陷点缺陷：定域在格点附近一个或几个晶格常数范围内偏离晶格周期性的结构称为点缺陷1.空位（Schottky缺陷）2.Frenkel缺陷Frenkel缺陷:空位——间隙原子对空位和Frenkel缺陷的成因都是由于晶格原子的热振动，因此这两种点缺陷也称为热缺陷。形成一个Frenkel缺陷要比形成一个空位所需的能量多些，因而也更难些。3.杂质原子当晶体中的杂质以原子状态在晶体中形成点缺陷时，称为杂质原子。替位式杂质（代位式杂质）K＋Cl－K＋Cl－K＋Cl－K＋C

2、l－K＋Cl－K＋Cl－K＋Cl－K＋Cl－K＋Cl－K＋Cl－K＋Cl－K＋Cl－K＋Cl－K＋Cl－K＋Cl－Ca2＋填隙式杂质缺位式杂质4.色心Na＋Cl－Na＋Cl－Na＋Cl－Cl－Na＋Cl－Na＋Cl－Na＋Na＋Cl－Na＋Na＋Cl－Cl－Na＋Cl－Na＋Cl－Na＋Na＋Cl－Cl－Na＋Cl－Cl－Na＋Cl－Na＋Cl－Na＋NaNa＋-e色心的产生如将NaCl晶体放在Na金属蒸气中加热，然后再骤冷至室温，就可在NaCl晶体中产生色心。用X射线或射线辐照、用中子或电子轰击晶体。二、线缺

3、陷EFAB螺位错：刃位错：常见的面缺陷：晶粒间界、挛晶界、小角晶界和层错等三、面缺陷层错：晶体中的某个原子层发生堆积错误fcc晶体中的正常堆积次序：···ABCABC···体缺陷，如：空洞、气泡和包裹物等fcc晶体中的层错:···ABCABABC···§4.2热缺陷一、热缺陷的平衡数目由热力学可知，在等温过程中，当热缺陷数目达到平衡时，系统的自由能取极小值：空位的平衡数目晶体中原子总数：N形成一个空位所需能量：u1晶体中所形成的空位数:n1（N>>n1）由于晶体中出现空位，系统自由能的改变：晶体中没有空位时，系统原

4、有的微观状态数为W0，由于出现空位，系统的微观状态数增加W1，有：W＝W0W1假设W0和W1相互独立，，W：系统可能出现的微观状态数达到平衡时在N+n1个原子位置中出现n1个空位，其微观状态数为：于是有利用Stirling公式，当x很大时，有：晶体中间隙原子位置的总数：N’形成一个间隙原子所需能量：u2平衡时晶体中的间隙原子数：n2（设n2<

5、el缺陷所需的能量。由于u1

6、扩散的本质是原子无规的布朗运动1.扩散定律——Fick第一定律D：扩散系数一、扩散的宏观规律负号表示扩散方向与浓度梯度方向相反，即扩散总是从浓度高的地方向浓度低的地方扩散。扩散过程必须满足连续性方程：若扩散系数与浓度无关，有——Fick第二定律例1：将一定量N的扩散物质涂在一半无限大晶体的一端面上，厚度为，在温度T下，使其从晶体表面向内部扩散，求扩散物质在晶体中的分布。扩散方程：{初始条件：0xx>0xN约束条件：解：x2lnn(x)0测量扩散系数常用的实验方法：示踪原子法例2：一半无限大晶体，若

7、保持扩散物质在晶体一表面上的浓度n0不变，在一定温度下，经过一段时间的扩散，求扩散物质在晶体中的分布。初始条件和边界条件分别为：{n(x,0)=0,x>0n(0,t)=n0,t0扩散方程：解为：——误差函数（概率积分）扩散系数与温度有密切关系，温度越高，扩散就越快。实验发现，若温度变化范围不太宽，那么，扩散系数与温度的关系为2.扩散系数与温度的关系D0：常数R：气体常数Q：扩散激活能1/T0lnD二、扩散的微观机制由面1向面2流动的净原子流密度：：原子在相邻两次跳跃的时间间隔12>d圆柱体高：d底面面

8、积：dS＝1d扩散系数的微观表达式：主要由所需等待的时间来决定原子扩散的微观机制：空位机制：扩散原子通过与周围的空位交换位置进行扩散易位机制：扩散原子通过与周围几个原子同时交换位置进行扩散间隙原子机制：扩散原子通过从一个间隙位置跳到另一个间隙位置进行扩散空位机制d＝a扩散系数的表达式：1：原子每跳一步所需等待的时间n1/N：在扩散原子周围出现空位的