点缺陷

作者:郦剑

对于晶体而言,点缺陷是晶体的晶格点阵结点上的原子或邻近的微观区域内原子偏离晶格正常排列的一种缺陷,发生在晶体中几个晶格范围内,在三维方向上的尺寸都很小,例如空位、间隙原子、异类置换原子等,都是点缺陷,也称零维缺陷。点缺陷数量与温度密切相关,如一定温度下某种材料的空位平衡浓度与温度之间存在如下关系:

C=C0exp(-∆G/RT)

其中C0:晶格节点总数量,∆G:空位形成势垒,R:气体常数,T:绝对温度。

某个温度下具有平衡空位数量的晶体与完整晶体相比,自由能更低,物质状态更稳定,这是点缺陷与其他种类缺陷不同的特点,所以从热力学角度看,点缺陷是一种热平衡缺陷。

在晶体晶格点阵节点上的原子由于热振动的能量起伏而脱离节点移动到晶体表面的节点位置,在原来的节点位置留下空位,这种空位称为肖脱基缺陷。如果脱离节点的原子跑到邻近的晶格空隙中形成间隙原子,这种一对点缺陷(空位和间隙原子)称为弗兰克尔缺陷。

根据点缺陷不同的成因可以将点缺陷分为下面三类:本征缺陷、杂质缺陷和。

本征缺陷的类型是,在晶格点阵结点出现,或在节点间隙上填入原子(间隙粒子),前述肖脱基缺陷与弗兰克尔缺陷均是本征缺陷。异类原子占据了晶格点阵某些结点置换了溶剂原子,使晶格点阵发生畸变,也属于本征缺陷。本征点缺陷的形成是由于晶格点阵节点上的原子。任何高于OK的实际晶体,晶格结点上原子都在其节点附近做热振动,因能量起伏其中若干能量超过点阵势垒的原子脱离其节点平衡位置从而形成此类点缺陷,缺陷数量与绝对温度之间有式(1)所示的关系。

杂质缺陷是点缺陷中数目最多的一类。半径较小的原子(离子)常以间隙方式进入基体晶体晶格点阵,形成所谓间隙固溶体,杂质原子的半径与基体溶剂元素原子的半径相比小。一般通过淬火、、掺杂、和改变化学配比等多种方式引入杂质原子(离子),与本征点缺陷不同,这类缺陷属于非平衡点缺陷。在的物质中这类固溶体很普遍,添入的碳、氮、碳、都容易处在这些的间隙位置中。如碳溶入面心立方铁中形成的间隙固溶体称为,碳溶入体心立方铁中形成的间隙固溶体称为铁素体。间隙固溶体的形成常有助于晶体材料的硬度、熔点和强度的提高。中如果的价电子数与所取代的离子不一致,就会产生额外电荷。这些额外电荷必须通过相反电荷、价电子数相等的等量离子来补偿或通过产生空位来抵消,以保持整个晶体的电中性。杂质缺陷一般不改变原基体晶体的形式,但会因晶格畸变而活化,为原子(离子)迁移提供条件。

可以认为是以上两类缺陷引起的一种缺陷。按照,OK下大多数纯净完整半导体材料晶体都是电,在高于OK的温度下,由于、光等因素会使少数电子从激发到,原来满带中被这些电子占据的便空余出来,中的这些称为,满带中的空穴和导带中的部分电子是使半导体导电的主要原因。可见,实际半导体材料、离子晶体材料的杂质缺陷和其他缺陷可以改变基体晶体的并影响的浓度及其运动,对晶体的电学性能有重要的影响。

点缺陷可以形成多种复合点缺陷、点缺陷群,构成结构及各种广延缺陷,对于敏感的许多性质有着重要的影响。如点缺陷是晶体中物质输运过程的主要媒介,是一系列弛豫现象的物理根源,也是容纳晶体对化学配比偏离的重要方式。

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