二晶体结构缺陷

晶格的缺陷晶格的缺陷是指晶体结构中存在的各种不完美或异常的位置或排列。

这些缺陷对晶体的物理、化学性质以及材料的性能都会产生重要影响。

本文将从点缺陷、线缺陷和面缺陷三个方面，介绍晶格缺陷的种类、产生原因以及对材料性能的影响。

一、点缺陷1. 点缺陷是指晶体中原子或离子的位置发生变化或缺失。

常见的点缺陷有原子间隙、空位、间隙原子、杂质原子等。

2. 原子间隙是指晶体中存在的原子无法占据的空间，通常是由于晶格结构的不完美而形成。

原子间隙的存在会导致晶体的密度降低，同时对电子和热的传导产生影响。

3. 空位是指晶体中原子位置上缺失了一个原子。

空位会导致晶格的局部变形，降低晶体的机械强度和热稳定性。

4. 间隙原子是指晶体中存在的非晶体或空气中的原子进入了晶体中的间隙位置。

间隙原子的存在会改变晶体的电子结构和热导率。

5. 杂质原子是指晶体中存在的与晶格原子不同种类的原子。

杂质原子的加入会改变晶体的导电性、磁性以及光学性质。

二、线缺陷1. 线缺陷是指晶体结构中存在的一维缺陷，通常是晶体中原子排列发生错位或缺失。

2. 赝位错是指晶体中两个晶格面之间的原子排列发生错位，即晶体中的原子位置发生了偏移。

赝位错会导致晶体的机械强度下降，同时也会引起晶体的局部形变。

3. 堆垛错是指晶体中两个晶格面之间的原子排列发生缺失或添加。

堆垛错会导致晶体局部的结构畸变，进而影响晶体的热稳定性和电子传导性能。

4. 螺错是指晶体中原子排列沿晶体的某一方向发生了扭曲，形成了一种螺旋形的缺陷。

螺错会导致晶体的机械强度下降，同时也会引起晶体的局部形变。

三、面缺陷1. 面缺陷是指晶体结构中存在的二维缺陷，通常是晶格面的错位、缺失或添加。

2. 晶界是指晶体中两个晶粒之间的界面。

晶界是晶体中最常见的面缺陷，其形成原因包括晶体生长过程中的结晶不完全以及晶体在变形过程中的再结晶。

晶界会对晶体的力学性能、电学性能以及化学反应产生显著影响。

3. 双晶是指晶体中存在两个晶界的结构。

知识点052 固溶体的定义与分类定义分类置换式固溶体：间隙式固溶体：分类无限固溶体：有限固溶体：实例置换式实例：金属和金属形成的固溶体都是置换式的。

如，Cu-Zn系中的α和η固溶体都是置换式固溶体。

在金属氧化物中，主要发生在金属离子位置上的置换，如：MgO-CaO，MgO-CoO，PbZrO3-PbTiO3，Al2O3-Cr2O3等。

间隙式实例：金属和非金属元素H、B、C、N等形成的固溶体都是间隙式的。

如，在Fe-C系的α固溶体中，碳原子就位于铁原子的BCC（体心立方）点阵的八面体间隙中。

实例 无限互溶实例： Cu-Ni 系、Cr-Mo 系、Mo-W 系、Ti-Zr 系， MgO-CoO 系统，分子式可写为Mg x Ni 1-x O ，x =0~1 。

PbTiO 3与PbZrO 3，分子式可写成：Pb （Zr x Ti 1-x ）O 3，x =0~1 有限互溶实例： Cu-Zn 系统、Cu-Sn 系统、Fe-C 系统、Pd-H 系统（储氢材料）、NaCl-KCl 系统、MgO-CaO 系统，ZrO 2-CaO 系统、MgO-Al 2O 3系统等。

为什么？形成置换型固溶体的条件（经验规则）相似相溶r = r1–r2r1小于介于注意：只是必要条件而不是充分条件实例形成间隙型固溶体的条件（经验规则）实例随堂练习：答：= r = r 1–r 2 r 1随堂练习：答：经验规则！知识点053.固溶体的性质有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６考证资料或关注桃报：奉献教育（店铺）随堂练习：随堂练习：知识点054 固溶体类型的实验判别VW d 晶胞体积的晶胞质量（含有杂质的）固溶体理论密度理=0N i i i Wi i 阿佛加德罗常数的原子量实际所占分数的晶胞分子数质点质量⨯⨯=∑==ni Wi W 1CaOZrO 2 Ca Zr + O O + V O .. ,,2CaOZrO 2 Ca Zr + 2O O + Ca i.. ,,CaZr0.85O1.850.15有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６考证资料或关注桃报：奉献教育（店铺）CaO ZrO2Ca Zr + O O+ V O..,,Ca0.15Zr0.85O1.85x32423/565.5101.1351018.75cm g V W d =⨯⨯==--理置∑⨯⨯⨯+⨯⨯+⨯⨯==-++2224210022.6285.18185.04115.04O Zr Ca M M M Wi W 晶胞质量Ca 0.15Zr 0.85O 1.85Ca 0.15Zr 0.85O 1.85y2CaOZrO 2 Ca Zr+ 2O O + Ca i.. ,,Ca0.15Zr0.85O1.85Ca0.3/1.85Zr1.7/1.85O2∑⨯⨯⨯+⨯⨯+⨯⨯==-++2224210022.6228185.1/7.14185.1/3.04O Zr Ca M M M Wi W 晶胞质量32423/014.6101.1351025.81cm g V W d =⨯⨯==--理间Ca 0.3/1.85Zr 1.7/1.85O 232423/565.5101.1351018.75cm g V W d =⨯⨯==--理置32423/014.6101.1351025.81cm g V W d =⨯⨯==--理间随堂练习：答：1810218 82AlMg0.92O1.160.16Al0.16Mg0.92O1.16 xAl2x Mgl-2xO1+xAl2O3 2MgO2Al Mg.+ 2O O+ O i,,0.16 0.92 1.16=0.148 0.852 1.074密度增加xAl2x Mg1-3x OAl0.16Mg0.92O1.16Al2O3 3MgO2Al Mg.+ 3O O+ V Mg,,Al2x Mg1-3x O Al0.16/1.16Mg0.92/1.16O1.16/1.16有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６考证资料或关注桃报：奉献教育（店铺）0.138 0.793 1密度减小。

知识点055. 晶体的塑性变形变形前变形后滑移ττ单晶试棒在拉伸作用下的变化晶体结构不同，面心立方晶体的12个滑移系统滑移系统数量不同。

滑移面和滑移方向往往是中原子最密排的晶面和晶向，因为最密排面的间距最大，阻力最小，密排方向上平移距离也最小，因此最容易滑移。

晶面间的滑移是滑移面上所有原子整体协同移动的结果（刚性滑动模型）。

理论计算与实际结果相差三个数量级！纯铁的理论临界切应力约3000MPa，实际屈服强度1-10MPa位错模型孪生[112]1a[112] 0)知识点056. 位错及分类定义：分类：刃位错、螺位错混合位错有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６考证资料或关注桃报：奉献教育（店铺）刃位错刃位错形成：晶体在大于屈服值的切应力 作用下，以ABCD面为滑移面发生滑移。

EF 是晶体已滑移部分和未滑移部分的交线，称为位错线。

刃位错垂直刃位错螺位错螺位错形成：晶体在大于屈服值的切应力 作用下，以ABCD面为滑移面发生滑移。

EF 是晶体已滑移部分和未滑移部分的交线，称为位错线。

螺位错平行螺位错混合位错混合位错随堂练习：答：知识点057. 伯格斯矢量定义：性质：确定伯格斯矢量的步骤有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６考证资料或关注桃报：奉献教育（店铺）刃位错伯格斯矢量的确定螺位错伯格斯矢量的确定伯氏矢量的性质伯氏矢量的性质伯氏矢量的性质伯氏矢量的性质随堂练习：答：。

知识点059. 面缺陷及分类定义：分类：晶界及分类：定义：分类：1.按晶粒间位向差分类晶界小角度晶界大角度晶界倾斜晶界（晶间）扭转晶界（晶间）对称倾斜晶界不对称倾斜晶界亚晶界（晶内）小角度晶界对称倾斜晶界形成：倾斜晶界为（100）面（晶界）。

投影面为（001）面。

两侧晶体的位向差为θ，相当于相邻晶粒绕[001]轴反向各自旋转θ/2而成。

转轴是[001]。

对称倾斜晶界几何特征：相邻两晶粒相对于晶界作旋转，转轴在晶界内并与位错线平行。

结构特点：由一系列平行等距离排列的同号刃位错所构成。

不对称倾斜晶界形成：界面是绕[001]轴旋转角度φ的任意面，相邻两晶粒的取向差仍是很小的θ角，但界面两侧晶粒是不对称的。

投影面为（001）面。

两侧晶体的位向差为θ，相当于相邻晶粒绕[001]轴反向各自旋转θ/2而成。

转轴是[001]。

不对称倾斜晶界几何特征：界面与左侧晶粒 [100] 轴向夹角为φ-θ/2，与右侧晶粒的[100]成φ+θ/2夹角。

结构特点：由两组相互垂直的刃位错组成扭转晶界扭转晶界几何特征：相邻两晶界关于001轴旋转，转轴不在晶界内，且与位错线相互垂直。

结构特点：由两组相互垂直的螺位错组成*亚晶粒与亚晶界：亚晶界也可以用位错模型描述。

亚晶界两侧的亚晶粒取向差或位向差小于2度。

亚晶粒大小一般不超过0.001mm。

大角度晶界有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６考证资料或关注桃报：奉献教育（店铺）2.按晶界两边原子排列的连贯性分2.按晶界两边原子排列的连贯性分3.按堆积方式描述的晶界为堆垛层错，包括反映孪晶以面心立方结构为例,当正常层序中抽走一原子层, 相应位置出现一个逆顺堆垛层……ABC AC ABC……称抽出型(或内禀)层错；如果正常层序中插入一原子层, 相应位置出现两个逆顺序堆层……ABCA C BCAB……称插入型(或外禀)层错。

堆垛层错导致的孪晶面堆垛层错导致的孪晶面晶界的特性：有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６考证资料或关注桃报：奉献教育（店铺）晶界的特性：晶界的特性：晶界的特性：随堂练习：答：随堂练习：答：随堂练习：。

Materials scientists have long known that introducing defects into three-dimensional materials can improve their mechanical and electronic properties. Now a new Northwestern study finds how defects affect two-dimensional crystalline（水晶般的）structures, and the results hold information for designing new materials. In packed, two-dimensional crystalline systems, such as in photonic（光激性的） two-dimensional crystals, the particles are organized in hexagonal（六边的） lattices. One particle is in the center of the hexagon with six neighboring particles around it.A defective lattice is when the center particle has one extra or one fewer neighbor, creating a heptagon or pentagon. Two defects of similar types -- two pentagons or two heptagons -- will repel each other. Two defects of opposite types -- one pentagon and one heptagon -- will attract one another and proliferate."If there is one heptagon or one pentagon, then the structure is strongly distorted," says the paper's coauthor Monica Olvera de la Cruz, Lawyer Taylor Professor of Materials Science and Engineering. "But if you have one pentagon and one heptagon, then the distortion is relieved. The pairs cancel each other out."Impure particles can cause defects in all types of systems. One impurity is a difference in particle size, which is naturally seen in granular（颗粒的） materials, nanoparticles, and colloidal crystals. To see how a size disparity would affect the crystalline order and the system's physical properties, Olvera de la Cruz and postdoctoral fellow Zhenwei Yao devised a model system of soft particles, such as functionalized nanoparticles with grafted chains including nucleic acids or thiols. They made one of the particles in the lattice much larger than the surrounding particles."When we expanded one particle, all the neighboring particles were squeezed and stressed," says Yao, coauthor of the paper. "The bigger we made the particle, the more defects it caused."The larger particle impurity induced defects. Surprisingly, however, instead of repelling one another and distorting the crystalline order, the defects settled into harmony."People would expect for them to repel," Olvera de la Cruz says. "But they all came together and arranged to generate a lower energy configuration. The defects around the impurity particles mediate the attractions between impurity particles."The defects restored order, creating a "screen," or buffer, to protect the rest of the structure from the stress of the added impurity.This finding could lead to new ways of engineering materials, supporting the Materials Genome Initiative. Creating materials with new properties by adding impurities can be tricky. If the impurities cause defects that induce attractionsbetween impurity particles, then they might create regions where impurities aggregate. "That generates an interface of two materials that can be very damaging," Olvera de la Cruz says. "The impurities have to be very well controlled."By changing the size of particles, materials researchers may be able to engineer defects in a convenient and precise manner.更多英语学习：企业英语/。

晶体缺陷的三种形式晶体缺陷（crystal defects）是指晶体内部结构完整性受到破坏的所在位置。

按其延展程度可分成点缺陷、线缺陷和面缺陷。

在理想完整的晶体中，原子按一定的次序严格地处在空间有规则的、周期性的格点上。

但在实际的晶体中，由于晶体形成条件、原子的热运动及其它条件的影响，原子的排列不可能那样完整和规则，往往存在偏离了理想晶体结构的区域。

这些与完整周期性点阵结构的偏离就是晶体中的缺陷，它破坏了晶体的对称性。

晶体结构中质点排列的某种不规则性或不完善性。

又称晶格缺陷。

表现为晶体结构中局部范围内，质点的排布偏离周期性重复的空间格子规律而出现错乱的现象。

根据错乱排列的展布范围,分为下列3种主要类型。

①点缺陷，只涉及到大约一个原子大小范围的晶格缺陷。

它包括:晶格位置上缺失正常应有的质点而造成的空位;由于额外的质点充填晶格空隙而产生的填隙；由杂质成分的质点替代了晶格中固有成分质点的位置而引起的替位等（图1）。

在类质同象混晶中替位是一种普遍存在的晶格缺陷。

图1②线缺陷—位错位错的概念1934年由泰勒提出到1950年才被实验所实具有位错的晶体结构，可看成是局部晶格沿一定的原子面发生晶格的滑移的产物。

滑移不贯穿整个晶格，晶体缺陷到晶格内部即终止，在已滑移部分和未滑移部分晶格的分界处造成质点的错乱排列，即位错。

这个分界外，即已滑移区和未滑移区的交线，称为位错线。

位错有两种基本类型：位错线与滑移方向垂直，称刃位错，也称棱位错；位错线与滑移方向平行，则称螺旋位错。

刃位错恰似在滑移面一侧的晶格中额外多了半个插入的原子面，后者在位错线处终止（图2）。

螺旋位错在相对滑移的两部分晶格间产生一个台阶，但此台阶到位错线处即告终止，整个面网并未完全错断，致使原来相互平行的一组面网连成了恰似由单个面网所构成的螺旋面。

图2③面缺陷，是沿着晶格内或晶粒间的某个面两侧大约几个原子间距范围内出现的晶格缺陷。

主要包括堆垛层错以及晶体内和晶体间的各种界面，如小角晶界、畴界壁、双晶界面及晶粒间界等。

tio2 缺陷结构
TIO2（二氧化钛）是一种常见的半导体材料，晶体结构主要
有锐钛矿型（Rutile）、金红石型（Anatase）和布列斯特型（Brookite）等。

这些晶体结构中都存在一些缺陷。

常见的TIO2缺陷结构包括点缺陷、线缺陷和面缺陷。

1. 点缺陷：点缺陷是晶体中原子位置存在缺陷造成的。

例如，氧空位是一种常见的点缺陷。

它指的是晶体中某些氧原子位置上缺少氧原子的情况。

此外，还有钛空位和氧空位相互配对的Frenkel缺陷。

2. 线缺陷：线缺陷是晶体中存在着一维缺陷的区域。

例如，晶体中某些原子沿着某个方向排列出现错位或空缺，形成了位错或孤立线缺陷。

3. 面缺陷：面缺陷是晶体中存在着二维缺陷的区域。

例如，晶体中的晶界和位错墙就是一种面缺陷。

晶界是晶体中两个晶粒的交界处，位错墙是晶体中沿某个方向存在位错的平面。

这些缺陷结构在TIO2的性质和应用中起到重要作用。

它们可
以影响材料的机械性能、光学性质、电学性质等，也对光催化、光伏等应用具有一定的影响。

因此，研究和控制TIO2的缺陷
结构对于提高其性能和开发新的应用具有重要意义。

晶体结构缺陷一、理想晶体perfect crystal:晶体中的原子在三维空间呈周期性的规则排列。

实际晶体：由于生长条件、原子热运动及材料加工过程中各种因素的影响，原子排列存在着偏离理想结构的区域。

晶体缺陷：将晶体中原子偏离其平衡位置而出现不完成性的区域称为晶体的结构缺陷。

二、晶体缺陷的类型（Classification of defects）1.点缺陷--零维缺陷(Point defects or zero-dimensional defects)任何方向尺寸都远小于晶体线度的缺陷区。

空位（vacancy）(a)无原子的阵点位置(b)双空位间隙原子(Self-interstitial)(c)挤入点阵间隙的原子晶体中的原子时刻处于热振动中，由于热振动的无规则性，原子在某一瞬间可能获得较大的动能或较大的振幅而摆脱周围原子的约束而跳离平衡位置。

如果此原子是表面上的原子，它会脱离固体而蒸发掉，接着次表面的原子会迁移到上述表面原子的空余位置，于是就在晶体内部形成一个晶格“空位”。

如果此原子是晶体内部的原子，它就会从平衡原子进入附近的点阵间隙中于是就在晶体中同时形成一个空位和一个间隙原子。

注意：①位置关系强调形成缺陷时，基质晶体中正负离子格点数之比保持不变，并非原子个数比保持不变。

②形成缺陷时，基质晶体中的原子数会发生变化，外加杂质进入基质晶体时，系统原子数增加，晶体尺寸增大；基质中原子逃逸到周围介质中时，晶体尺寸减小。

金属材料空位数Nv与温度有关，温度升高，空位数增加。

与空位形成能有关。

Nv——平衡态空位数量N——原子位置的总数△Qv—每增加一个空位的能量变化(形成能)T——热力学温度k --玻耳兹曼常数;1.38×10-23J/K在金属晶体中，挤进间隙的自间隙原子将对周围阵点引起较大的变形，原子明显大于间隙的空间，间隙出现的可能性小，浓度低，空位更常见，所有金属晶体都有空位。

Calculate the equilibrium number of vacancies per cubic meter for copper at 1000 °C.The energy for vacancy formationis0.9 eV/atom; the atomic weight and density (at 1000°C)for copper are 63.5 g/mol and 8.40 g/cm?, respectively. SOLUTIONThis problem may be solved by using Equation 2-46; it is f irst necessary, however, to determine the value of N,the num ber of atomic sites per cubic meter for copper, from its a tomic weight Acu, its density,and Avogadro's number N,accordin g to=(6.023×10²³atoms/mol)(8.40g/cm3)(10⁶cm³/m³)63.5 g/mol=8.0×10²⁸atoms/m³Thus,the number of vacancies at1000°℃(1273K)is equal to=(8.0×10²⁸atoms/m³)exp -(0.9 eV)(8.62×10-⁵eV/K)(1273K)= 2.2×10²⁵vacancies/m³肖特基缺陷(Schottky Defect)：(d)离子对空位弗兰克尔缺陷(Frenkel Defect)：(e)等量的正离子空位和正离子间隙无机非金属材料由于陶瓷材料至少含有两类离子，每种离子都可能形成缺陷，例如在NaCl中，Na离子间隙和空位以及Cl离子间隙和空位都可能存在。

知识点058. 位错的运动滑移攀移位错的运动刃位错的运动螺位错的运动 滑移攀移 滑移刃位错的滑移有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６考证资料或关注桃报：奉献教育（店铺）刃位错的滑移注意：晶体不同部分的相对滑移形成了位错，而位错的滑移是实现塑性变形的机制。

要区别晶体的滑移与位错的滑移。

此例中晶体滑移方向与位错滑移方向相同（相互平行）。

刃位错滑移方向与外力及伯氏矢量平行正、负刃位错滑移方向相反螺位错的滑移注意：晶体不同部分的相对滑移造成位错，而位错的滑移是实现塑性变形的机制。

要注意区别晶体的滑移与位错的滑移。

此例中晶体滑移方向与位错滑移方向不同（相互垂直）。

螺位错滑移方向与外力及伯氏矢量垂直左、右螺位错滑移方向相反混合位错的滑移注意：晶体不同部分的相对滑移造成位错，位错的滑移是实现塑性变形的机制。

要区别晶体的滑移与位错滑移。

此例中晶体滑移方向与位错滑移方向部分相同，部分不相同。

混合位错滑移方向与外力及伯氏矢量成一定角度（沿位错线法线方向滑移）刃位错和螺位错滑移的比较晶体的滑移方向与外力及位错的伯氏矢量相一致但并不一定与位错的滑移方向相同。

位错类型柏氏矢量位错线运动方向晶体滑移方向切应力方向刃位错垂直于位错线垂直于位错线与伯氏矢量方向一致与伯氏矢量方向一致螺位错平行于位错线垂直于位错线与伯氏矢量方向一致与伯氏矢量方向一致混合位错与位错线成角度垂直于位错线与柏氏矢量方向一致与伯氏矢量方向一致有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６考证资料或关注桃报：奉献教育（店铺）位错的攀移定义：分类：正攀移负攀移攀移的特点及与滑移的不同：有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６考证资料或关注桃报：奉献教育（店铺）随堂练习：答：。