晶体缺陷的类型
自然界不存在****的晶体，任何晶体中都或 多或少存在晶体缺陷(熵增原理)
如Si掺杂P、B等
点缺陷 Schottky空位形成 Frankel空位形成 1. 金属中空位的形成及分类 离开平衡位置的 原子有三个去处： 迁移到晶体表面或 内表面的正常结点 位置上； 挤入点阵的间隙位 置； 跑到其它空位中， 使空位消失或使空 位移位。 2. 实际晶体中的点缺陷组态 双空位、三空位或空位团。 空位团塌陷成空位片，形成位错圈。 m个原子均匀地分布在n个原子位置的范围内 (m>n)，形成所谓“挤塞子”(crowdion) 。 3.点缺陷产生的效应 导致晶格畸变 使晶体的内能升高，降 低了晶体的热力学稳定性。 导致熵增 增大了原于排列的混乱程度，改变了其周围原子 的振动频率，引起组态熵和振动熵的改变，使晶体 熵值增大，增加了晶体的热力学稳定性。 这两个相互矛盾的因素使得晶体中的点缺陷在一 定的温度下有一定的平衡浓度。 4. 点缺陷形成的热力学分析 空位浓度计算公式推导 假定一个理想晶体中含有N个原子，在一定的条 件下在晶格中产生了n个空位。 空位浓度计算公式推导 若将一个原子从晶体内部某处移走，则使原来位 置周围原子的配位数改变，即破断了一些*近邻键， 从而相应提高了体系的焓值，这就是空位的形成焓 ∆Hf；同时，也使得空位周围的原子振动模式有所改 变，从而相应改变了熵值，主要是空位的形成熵∆Sf。 所以，一个空位的形成自由能∆Gf为： f f f G H S T ∆ =∆ − ∆ 如果晶体中含n个空位和N个原子，则因空位的 存在使系统的自由能增加n∆Gf 。 空位浓度计算公式推导 晶体中空位和原子的可能混合方式有很多种，这 又会增加体系的熵值，这部分熵值称做混合熵或构型 熵∆Sm。混合熵可以由波耳兹曼方程得出： m ω lnkS Bm =∆ 式中ωm是n个空位和N个原子在N+n个位置可能的不同 排列方式数，它等于(N+n)!/N!n!。利用Stirling近似式： lnx! ≈ xlnx-x，混合熵∆Sm表达为： nnnNnNnNk nN nNk B Bm ln ln)ln()[( !! )!(lnkS Bm − −++= + ==∆ ω 空位浓度计算公式推导 体系总自由能变化∆G为： nnnNnNnNTk B ln ln)ln()[()ST-Hn(G ff − −+++∆∆=∆ 在给定温度下，d∆G/dn=0对应的n值是平衡态下 体系的空位数。 0lnST-HG ff = + +∆∆= ∆ nN nTk dn d B )exp()exp( Tk H k S nN nC B f B f v ∆ − ∆ = + = 公式内涵 空位平衡浓度Cv随温度变化十分强烈。对于很多 金属，∆Hf的范围是0.4~4eV，而exp(∆Sf/kB)~1。 金属的熔点温度越高，其键合能越强，其空位形 成焓也就越高。 在高温时，空位会形成聚合体，即形成双空位、 三空位等，这会引起空位浓度计算结果的准确性。 -T exp( )exp( ) exp(- ) f f ff v B B B S H H SnC N n k k T kT ∆ ∆ ∆ ∆ = = − = + exp( ) exp( ) f v v B G GC k T RT ∆ ∆ = − = − 晶体中存在缺陷的理论解释 结论：空位是一种热力学平衡的缺陷，即在一定的 温度下，晶体中总是会存在着一定数量的空位，这时 体系的能量处于*低的状态，也就是说，具有平衡空 位浓度的晶体比理想晶体在热力学上更为稳定。 mf G H T S S S n S ∆ =∆ − ∆ ∆ = + ∆ 对于自间隙原子，可按空位浓度的推导方法得 出其平衡浓度计算公式，两者类似，只是要把空位 浓度公式中的空位形成焓和形成熵改为自间隙原子 形成焓和形成熵。 自间隙原子平衡浓度计算公式推导 因为金属晶体结构都是密排或较密排结构，所以 自间隙原子的形成焓比空位的形成焓约大5个数量 级。在正常情况下其平衡浓度很低，一般都可忽略。 exp( )exp( ) ii ff i BB SH C k k T ∆∆ = − 5. 空位的形成机制 热起伏促使原于脱离点阵位置而形成的点缺陷称 为热平衡缺陷。当晶体中的点缺陷数量超过了其平 衡浓度时，称为过饱和的点缺陷。 冷变形加工。 高能粒子(如中子、质子、粒子等)的辐照效应。 离子注入。 高温淬火。
晶体缺陷的类型 晶体缺陷的类型 晶体缺陷的类型 晶体缺陷的类型 晶体缺陷的类型