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晶体的缺陷
作者:jzkegd  来源:本站  发表时间:2017/11/16 14:41:18  点击:822

晶体的缺陷

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晶体(crystal)即是物质的质点(分子、原子、离子)在三维空间作有规律的周期性重复排列所?#32428;?#30340;物质。从宏观上看,晶体都有自己独特的、呈对称性的形状晶体在不同的方向上有不同的物理性质,如机械强度、导热性、热膨胀、导电性等,称为各向异性。晶体有固定的熔化温度—熔点(或凝固点)。晶体的分布非常广?#28023;?#33258;然界的固体物质中,绝大多数是晶体。气体、液体和非晶物质在一定的合适条件下?#37096;?#20197;转变成晶体。

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?#23548;?#30340;晶体中,由于晶体?#32428;?#26465;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。

晶体缺陷按其在晶体结构中分布的几何特点可分为点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷四种类型。

 

一、点缺陷

点缺陷是发生在一个或若干个质点范围内所?#32428;?#30340;晶格缺陷。最常见的点缺陷表?#20013;?#24335;有下列几种。

(1) 空位   

晶格中应有质点占据的位置因缺失质点而造成空位。如图所示的A和A1位置,表示的是单个质点和双质点的缺失?#32428;?#30340;空位。

(2) 填隙

在晶体结构中正常排列的质点之间,存在多余的质点充填晶格空隙的现象,如图B。这种填隙质点即可以是晶体的自身固有成?#31181;?#30340;质点,?#37096;?#20026;其他杂质成分的质点。

(3) 

杂质成分的质点代替了晶体本身固有成分的质点,并占据了被替代质点的晶格位置,如图C。由于替位与被替位质点的半径、电价等方面的存在差异,因而可造成不同形式、程度不等的晶格畸变。

 

A、 A1 空位;B间隙质点;C杂质质点。

(4) 色心  

色心是离子晶体中一种吸收光的点缺陷。晶体中的色心,?#35805;?#35828;来对晶体性能是有害的,但近年来,利用色心的特殊效应研究色心激光器进展很快,色心激光器是一种新型的红外可调谐固体激光器,在近红外区域高分辨分子光谱,光化?#20174;Γ?#27745;染检测等方面有着重要的用途。

二、线缺陷

线缺陷是指:在晶体内部结构中某条线(行列)方向上的周围局部范围内产生的晶格缺陷。它的表?#20013;?#24335;主要是位错,通常以位错密度来衡量晶体的完整性。

位错是指在晶体中的某些区域内,一列或数列质点发生有规律的错乱排列现象。它可以视为应力作用下晶格中的一部分沿一定的面网相?#26434;?#21478;一部分的局部滑动而造成的结果。滑动面的终止线,即滑动部分和未滑动部分的分界线秤位错线。位错有种基本类型:位错线与滑?#21697;?#21521;垂直,称刃位错,也称棱位错;位错线与滑?#21697;?#21521;平行,则称螺旋位错;位错线既不平行也不垂直于滑?#21697;?#21521;的线位错,称为混合位错。

 

完成晶体A、   刃位错B、   螺旋位错C

 

刃位错             螺旋位错

 

  三、面缺陷

面缺陷是指沿晶格内或晶粒间某些面的两侧局部范围内所出现的晶格缺陷。面缺陷主要是同种晶体内的晶界、小角晶界、层错以及异种晶体间的相界等。下面简单描述一下面缺陷的特征。

(1) 平移界面

晶格中的一部分沿着某一面网相?#26434;?#21478;一部分滑动(平移)。以滑移面为界,晶体的格子构造规律被破坏。

 

 

平移界面图:A滑移面

2)层错

任?#25105;?#20010;晶体,?#26377;?#24335;上看都可以认为是由一层层的原子按一定的次序堆积而成。在正常的堆积次序中发生的错乱叫做堆积层错,简称层错。有两种基本的形式,抽出型层错和插入型层错。

 

A- 完整晶体;B-抽出型层错;C插入型层错。

 

3)晶界

   指同种晶体内部结晶方位不同的两晶格的界面(结构相同而取向不同晶粒之间的界面)。按结晶方位差异的大小,可分为小角晶界和大角晶界,小角晶界指的是两晶格间结晶方位之差小于10°的界面,大角晶界指的是两晶格间结晶方位之差大于10°的界面。最简单的小角晶界是对称的倾斜位错所组成。

 

小角晶界

小角晶界?#32428;?#30340;原因是,晶体中的位错在晶体冷却或退火过程中获得了能量而发生移动。

 

  四、体缺陷

体缺陷即三维缺陷,包括包裹体和晶体的开裂。

(1) 包裹体

包裹体是晶体在生长过程中所捕获的,并包裹在晶体内的外来物质。它是晶体生长中最常见的缺陷之一,对晶体质量影响也比较大。常见的包裹体有溶剂包裹体和作为坩埚、发热体及保温装置的钨、钼、铂、铱等材料的包裹体。这些物质的大小、形态不一,?#35805;?#20197;固态、液态和气态等形式存在。

(2) 晶体的开裂

在晶体生长过程中或晶体退火、加工过程中,开?#20005;?#35937;是经常遇到的,晶体的开裂是由于晶体内部热应力产生的应变超出了范性形变范围,而局部超出了屈服点,晶体往往沿解理面开裂。

热应力是最普遍存在的应力,?#27604;?#24212;力的大小尚在晶体的范性形变范围,只会产生位错;这些位错有时排成一列而?#32428;?#23567;角晶界;如果晶体范性形变范围很小或无范性形变,则超出屈服应力?#26412;?#23548;致脆性开裂。生长速率太快以及过大的温度梯度是造成晶体开裂的主要原因。

晶体中缺陷的种类、数量是鉴别晶体质量优劣的重要标志。晶体的缺陷通常能够吸收、反射或散射晶体内部产生的或是由外部输入的磁、光、声、和电能量,从而影响晶体的性能。缺陷的性质、分布状态以及缺陷之间的相互作用,造成了晶体宏观性能差别。了解各种晶体缺陷的概貌及其成因,对控制晶体的完整性,生长高质量单晶体有直接的帮助。

 

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