理论教育 不同类型的缺陷及其特点

不同类型的缺陷及其特点

时间:2023-06-22 理论教育 版权反馈
【摘要】:点缺陷与功能材料的电学、光学等性质密切相关。但空位、间隙原子并不都是热缺陷,也可以由其他因素如掺杂引起。加入外来原子的过程称为掺杂。掺杂所引入的外来原子的量通常都很小。最先认识到微量掺杂作用的是冶金学家,其次是研究半导体的物理学家,最后才是陶瓷学家。这种缺陷与晶体所处的温度、气氛及其分压有关。这些缺陷可产生,也可复合,所以是可逆的。

不同类型的缺陷及其特点

晶体结构的缺陷,常有以下几种分类方式。

1.按缺陷的几何形态分

(1)点缺陷(point defects):它在三维空间的尺度都远小于晶体或晶粒的尺度,通常处于原子数量级,也叫零维缺陷,如正常格点失去原子产生的空位。点缺陷与功能材料的电学、光学等性质密切相关。

(2)线缺陷(line defects):它在二维空间的尺度都远小于晶体或晶粒的尺度,只在某一方向的尺寸与晶体或晶粒的尺度相当,也叫一维缺陷,如位错。金属材料的韧性、强度等与此有关。

(3)面缺陷(surface defects):它在一维空间的尺度远小于晶体或晶粒的尺度,在其他二维方向上的尺寸与晶体或晶粒的尺度相当,也叫二维缺陷,如表面、晶界。材料的韧性、强度会受到其中晶界的影响。

(4)体缺陷(body defects):它在三维空间的尺度都与晶体或晶粒的尺度相当,也叫三维缺陷,如气孔、磁畴。

2.按缺陷的来源分

(1)热缺陷:也叫本征缺陷(intrinsic defects)。通常,晶体内原子的正常格点未被占据,则此位置称为空位。进入正常结点之间间隙位置的原子称为间隙原子(interstitial atom)。由于温度高于0K时,晶格内的部分原子由于热振动的能量起伏而离开正常位置产生的缺陷叫热缺陷,如空位、间隙原子。但空位、间隙原子并不都是热缺陷,也可以由其他因素如掺杂引起。热缺陷的基本形式有弗仑克尔缺陷(Frenkel defect)和肖特基缺陷(Schottky defect)两种。

(2)掺杂缺陷:也叫杂质缺陷、非本征缺陷(extrinsic defects)。它是由不同于晶体本身的外来原子进入晶体而产生。外来原子可以进入间隙位形成间隙原子;也可取代晶体固有原子而进入正常结点位置。这种接纳外来原子的晶体类似溶液中的溶剂,因此把吸纳了外来原子的晶体称为固体溶液,简称固溶体。固溶体中杂质原子的量在未超过一定值时,杂质缺陷与温度无关。加入外来原子的过程称为掺杂。(www.daowen.com)

掺杂(doping)是目前改善材料性能的一个主要措施。虽然引入外来原子的过程可称为掺杂,但它主要是指在高纯物质中加入不同于基体的外来原子,如在高纯Si中掺B形成半导体。掺杂所引入的外来原子的量通常都很小。最先认识到微量掺杂作用的是冶金学家,其次是研究半导体的物理学家,最后才是陶瓷学家。金属材料领域,通常不是在高纯物质中加入外来原子,所以一般不用“掺杂”这个词。但添加外来元素改善金属材料性能仍是很重要的一种途径。比如,在碳钢基础上加入合金元素(如Cr、Ni)形成合金钢。与碳钢相比,合金钢的强度、耐蚀性和抗氧化性均有显著提高。

(3)非化学计量缺陷:晶格上的原子在外界环境的作用下逸出晶格或吸收环境中的原子进入晶格而产生的缺陷。外界环境主要是指周围气氛的性质和其分压大小。由此产生的缺陷往往导致晶体的组成偏离化学定比定律。比如TiO2氧分压较小的环境下,晶格中的氧逸出到周围环境中,使晶体中出现了氧空位,化学式成为TiO2-x。ZnO在锌蒸气中加热,过剩的金属离子进入间隙位置,化学式为Zn1+xO。这种缺陷的浓度除了与温度有关外,还与周围气氛的性质和其分压大小有关。

(4)外部其他作用引起的缺陷:在机械力、辐射、电场及磁场等作用下产生的缺陷。比如,金属材料经压力加工会产生许多位错和点缺陷等。金属材料在高能粒子(如中子)的照射下,把原子从正常格点撞击出来,形成的空位和间隙原子。

3.按热力学状态分

(1)可逆缺陷:也叫热平衡缺陷。在温度高于0K或周围存在一定的气氛下,有些原子离开正常格点形成空位或间隙原子。这种缺陷与晶体所处的温度、气氛及其分压有关。它们的产生和复合在一定的温度和气氛下达成热力学平衡。与气氛及其分压有关的这类缺陷,我们可通过改变分压来改变缺陷浓度。比如在氧分压较小的环境下产生的TiO2-x,我们提高氧分压,环境中的氧又可回到晶格。这些缺陷可产生,也可复合,所以是可逆的。

(2)不可逆缺陷:它与晶体所处的环境温度、气氛及其分压无关。如金属材料经压力加工产生的位错;在制备某些合金材料或半导体材料时,采用离子注入技术产生的点缺陷等。这些缺陷一旦产生,要重新复合是很困难的,故称为不可逆缺陷。

下面我们按缺陷的几何形态,重点介绍点缺陷、线缺陷和面缺陷的一些基本特征及其对材料性能的一些重要影响。

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