为了描述晶体中的点缺陷,并研究它们之间的作用,人们采用一定的符号对其进行表示。表示点缺陷的方法很多,但最受欢迎的还是F.A.Kröger和H.J.Vink提出的符号。该符号的基本形式为,D表示缺陷的种类,s为缺陷所在位置,z为缺陷所带电荷。缺陷带一个单位正电荷用一个“·”表示,一个单位负电荷用一个“′”表示,以此类推。不带电用“×”表示,也可空着。下面用离子晶体MX为例说明点缺陷符号的意义,设M为+2价,X为-2价。
1.电子和电子空穴
如果电子、电子空穴不局限于一个特定位置,其表示方法:电子用“e′”表示;缺少一个电子即电子空穴用“h·”表示。而如果电子、电子空穴只局限在一个特定位置,如空位,则用带电的空位来表示。
2.空位(vacancy)
M、X原子不带电,从晶格中去掉一个原子,留下的空位也不带电,故原子空位的符号为或VM,VX。V为vacancy的首字母。
如果从正常晶格中去掉一个离子,则会在空位上留下一定的电荷。比如,从正常晶格中去掉一个M2+,则会在原来位置上留下2个电子,即空位带有两个单位负电荷。实际由空位与束缚在该空位上的电子复合而成,写作=VM+2 e′。同理,去掉一个X2-,则同时带走2个电子,空位带有两个单位正电荷。负离子空位少了电子,产生电子空穴,电子空穴也束缚在该空位上,故可写作=VX+2h·。
3.间隙缺陷
不在正常格点上的原子或离子为间隙原子(interstitial atom)或间隙离子(interstitial anion)。M2+和X2-进入间隙位,把相应的电荷也带入该处,符号为、。右下标的i表示缺陷在间隙位,是interstitial的首字母。比如,理想的MgO晶体中,四面体空隙全空,Mg2+、O2-进入四面体空隙就成了间隙离子、。同样,外来离子进入间隙位,也同样如此表示:Al3+进入MgO晶体中的间隙位。
当然,间隙位的原子是不带电的,则表示为或Mi,Xi。在离子晶体的点缺陷研究中,与空位的情况相似,人们常常把它们当作离子来处理。而在金属固溶体中,则常以原子及其空位来对待点缺陷,这一点需要注意。
4.错位缺陷(www.daowen.com)
M2+占据X2-的位置而形成的缺陷称作错位缺陷。X2-的空位为,电价+2价,M2+进入该空位后形成的错位缺陷,其电荷为+4价,表示为,或X2-占据M2+的位置,而成为。这种情况会使系统的能量增加较多,不是很稳定,故通常对这种情况不做讨论。
5.杂质置换缺陷
外来杂质离子如L3+占据正常点阵位置,分别取代M2+或X2-,即占据它们的空位、。L3+是+3价,M2+空位为-2价,复合后表示为。比如,Mg2+取代Al2O3中的Al3+,表示为。
不同电性的离子取代会使系统不稳定,为使系统稳定,故一般是阳离子取代阳离子,阴离子取代阴离子。
6.缔合中心
一个带电点缺陷与另一个带相反电荷的点缺陷缔合成一组或一群,形成缔合中心,如()、()。NaCl晶体中,最近邻的钠空位与氯空位可能缔合成空位对()。
以上这些晶格中的点缺陷,破坏了原有原子(离子)间的作用力平衡,引起周期性势场的改变。这会使点缺陷周围的原子(离子)做微量位移,产生晶格畸变(图4.1)。
图4.1 点缺陷及其引起的一些晶格畸变示意图(引自刘培生,2010)
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