理论教育 晶体缺陷的定义与分类

晶体缺陷的定义与分类

时间:2023-06-22 理论教育 版权反馈
【摘要】:而且,晶体质点均处于最低能级,其熵为零。故晶体质点的能量较高,其在平衡位置附近振动范围较大。而无任何缺陷的晶体和缺陷过多的晶体,能量高,不稳定。这一点,我们将在后文讨论,故理想晶体结构在自然界是不存在的。但不是所有偏离理想状态的排列都是缺陷。此外,理想晶体是无穷大的,而通常的晶体具有有限性,故晶体的有限性也是一种缺陷。

晶体缺陷的定义与分类

一提到缺陷,我们常常把它当作贬义词,如人的性格缺陷,再如汽车某方面的设计有缺陷而需要召回,那晶体中的缺陷指的是什么呢?在第2、3章中,我们讲到原子等质点严格按照每种晶体应有的周期性、对称性而堆砌成各种晶体。这样的晶体具有理想结构。按照热力学第三定律,在温度为0K时,纯物质的晶体质点排列成完全有序的点阵结构。而且,晶体质点均处于最低能级,其熵为零。但通常,温度远高于0K。故晶体质点的能量较高,其在平衡位置附近振动范围较大。个别能量较高的质点能挣脱其他质点对它的束缚,离开平衡位置,这就打乱了其原来所处位置的周期性。于是,晶体的一种缺陷产生了。今天,我们已经知道,即使温度在0K,实际晶体中的质点也不是严格按照周期性排布的。根据能量最低原理,晶体中有一定的缺陷,尤其是热缺陷,会使系统能量在一定程度上达到最低,晶体最稳定。而无任何缺陷的晶体和缺陷过多的晶体,能量高,不稳定。这一点,我们将在后文讨论,故理想晶体结构在自然界是不存在的。

人们常把晶体中偏离理想结构的位置或区域称作晶体结构中的缺陷(crystal defects)。但不是所有偏离理想状态的排列都是缺陷。比如,由弹性变形造成原子排列改变的晶体结构;在一定温度下,原子以其理想晶格为中心的振动都不是缺陷。此外,理想晶体是无穷大的,而通常的晶体具有有限性,故晶体的有限性也是一种缺陷。与日常生活中我们提到的缺陷不同,晶体的缺陷是一个中性词。在有些情况下,缺陷对材料的性能有益,如钢和红宝石中的缺陷;而在有些情况下,缺陷又是有害的,如材料中的原子空位对金属的电阻是不利的,此外还有裂纹和空洞等诸多有害缺陷。(www.daowen.com)

既然晶体结构总存在缺陷,那为什么我们在上一章不直接介绍有缺陷的晶体,而要先讨论理想的晶体结构呢?

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