无机材料科学基础 晶体结构缺陷

• 2、克罗格-明克符号 Kroger-Vink • 在系统中，用一个主要符号来表明缺陷的
种类，而用一个右下脚标来表示这个缺陷 的位置。右上角标表示有效电荷数。
4.2 缺陷化学反应表示法
Kroger-Vink表示法: 以二元化合物MX为例 大写字母：原子；下标：位置；上标：电荷
名称
符号
正常原子
MM, XX
• 正常格点上的原子迁移到表面，从而在晶 体内部留下空位。
原子
表面
空位
内部
增加了表面，内部 留下空位
Schottky缺陷特点
1. 只有空位，没有填隙原子； 2. 如果是离子晶体，阳离子空位和阴离子空
位成对出现，两者数量相等，保持电中性； 3. 需要有自由表面； 4. 伴随新表面的产生，晶体体积增加； 5. 正负离子半径相差不大时，Schottky缺陷
空位 填隙原子 错位原子 溶质原子(LS)
VM, VX Mi, Xi MX, XM LM, SX
名称
符号
溶质原子
Li, Si
带电缺陷(NaCl) VNa’, VCl˙
自由电子
e’
电子空穴
h˙
缔合中心
VMVX, MiXi
4.2缺陷化学反应表示法
4.2.1点缺陷的符号表征:Kroger-Vink符号 以MX型化合物为例： 1.空位（vacancy）用V来表示，符号中的右下标表
即：VNa’=VNa＋e，，VCl ·=VCl＋h·。
原子热振动，使部分能量较大的原子离开平 衡位置造成缺陷，称为热缺陷。 • 产生原因：晶格振动和热起伏 • 两种基本类型的热缺陷
Frenkel缺陷 Schottky缺陷
Frenkel缺陷
• 由于晶格上原子的热振动，一部分能量较大的原 子离开正常位置，进入间隙变成填隙原子，并在 原来的位置留下一个空位。
• 线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性密切 相关。
• 面缺陷的取向及分布与材料的断裂韧性有关。
4.1缺陷的类型
• 空位 • 填隙原子/离子 • 取代原子/离子
• 位错
• 晶界
点缺陷
线缺陷 面缺陷
2
4.1.1. 点缺陷(Point Defect)：
任何方向尺寸都远小于晶体线度的缺陷区
空位 (vacancy)：
为主；
杂质缺陷 亦称为组成缺陷或非本征缺陷
定义：是由外来杂质的引入所产生缺陷。 特征：如果杂质的含量在固溶体的溶解度范围
内，则杂质缺陷的浓度与温度无关。这 与热缺陷是不同的。
杂质缺陷对材料性能的影响：由于外来杂质的 影响使材料原有性质发生改变，如在陶瓷材 料及半导体材料中，为了得到特定性能的材 料，往往有意添加杂质。提高材料的性能。
• 填隙原子：原子进入晶体正常结点之间的间 隙位置，称为填隙原子或间隙原子。
• 空位：正常结点没有被原子或离子所占据成 为空节点，称为空位。
• 杂质原子：外来原子进入晶格就成为晶体中 的杂质。 有取代原子；间隙式杂质原子；
固溶体。
• 取代原子：这种杂质原子取代原来晶格中 的原子而进入正常结点的位置。
• 间隙式杂质原子：杂质进入晶体中本来就 没有院子的间隙位置，生成间隙式杂质原 子。
• 固溶体：杂质进入晶体可看成是一个溶解 的过程，杂质为溶质，原晶体为溶剂，这 种溶解了杂质原子的晶体称为固溶体。
（二）按点缺陷产生的原因分类
• 热缺陷 • 杂质缺陷 • 非化学计量结构缺陷
热缺陷
• 也称为本征缺陷。 • 定义：当晶体的温度高于0K时，由于晶体内
氧化锆中掺氧化钙，可提高氧化锆的热稳定性。
非化学计量缺陷
定义：指组成上偏离化学中的定比定律，所 形成的缺陷。它是由基质晶体与介质 中的某些组分发生变换而产生。
特点：某些化学组成随周围气氛的性质及其 分压大小而变化。是一种半导体材料。
4.2缺陷化学反应表示法
• 1、缺陷化学：凡从理论上定性定量地把材 料中的点缺陷看作化学实物，并用化学热 力学的原理来研究缺陷的产生、平衡及其 浓度等问题的一门科学，称为缺陷化学。
(a)无原子的阵点位置 (b)双空位
间隙原子(Self-interstitial)： (d)挤入点阵间隙的原子
肖特基缺陷 (Schottky Defect)：(c)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
4.1.1 点缺陷
• 空位:
distortion of planes
Vacancy
• 填隙原子:
-"extra" atoms positioned between atomic sites.
distortion of planes
selfinterstitial
3
杂质原子/离子
填隙杂质原子
置换杂质原子
4.1.1.1点缺陷的类型
• （一）根据其对理想晶格偏离的几何位置及 成分来划分
示缺陷所在位置，VM含义即M原子位置是空的。 2.间隙原子（interstitial）亦称为填隙原子，用Mi、
Xi来表示，其含义为M、X原子位于晶格间隙位置。
3. 错位原子 错位原子用MX、XM等表示，MX的 含义是M原子占据X原子的位置。XM表示X原 子占据M原子的位置。
4. 自由电子（electron）与电子空穴 (hole）
第四章 晶体结构缺陷
• 1、缺陷的定义：通常把晶体点阵结构中周期性 势场的畸变称为晶体的结构缺陷。
• 2、理想晶体：质点严格按照空间点阵排列的晶 体。
• 3、实际晶体：存在着各种各样的结构的不完整 性的晶体。
• 4、晶体缺陷对材料性能的影响：
• 点缺陷与材料的电学性质、光学性质、材料的 高温动力学过程有关。
分别用e，和h ·来表示。其中右上标中的一撇 “，”代表一个单位负电荷，一个圆点“ ·源自文库代 表一个单位正电荷。
5.带电缺陷
在NaCl晶体中，取出一个Na+离子，会 在原来的位置上留下一个电子e，，写成 VNa’ ，即代表Na+离子空位，带一个单位 负电荷。同理，Cl－离子空位记为VCl ·， 带一个单位正电荷。
Frenkel缺陷特点
1. 空位、填隙原子成对出现，两者数量相等； 2. 晶体的体积不发生改变； 3. 间隙——六方、面心立方密堆中的四面体和八面
体空隙; 4. 不需要自由表面； 5. 一般情况下，离子晶体中阳离子比阴离子小，即
正负离子半径相差大时，易形成Frenkel缺陷。
Schottky缺陷