材料物理化学
第三章 固体功能材料中的缺陷(1)
2015年秋季硕士研究生
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缺陷(Defects)的含义： 通常把晶体点阵结构中原子排列的不完整性（晶格畸变）称为晶体的 结构缺陷。 理想晶体：质点严格按照空间点阵排列。 实际晶体：存在着各种各样的结构不完整性。 理想晶体——相对，晶体缺陷——绝对 组如 红宝石：Cr-doped Al2O3 成B-doped Si: p-type semiconductor 缺 P-doped Si: n-type semiconductor 陷： 陶瓷材料的电导率、扩散传导、化学反应速率和传 质等动力学过程都与缺陷的形态和数目密切相关 2015年秋季硕士研究生 2
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缺陷的由来 起始原料（材料组成） 力 电 热 光 材料制备工艺 学 学 学 学性性性性缺陷形成和演化 能 能 能 能 杂质、缺陷 材料的宏观性能 材料的显微结构 nuclei crystals growing grain structure liquid 2015年秋季硕士研究生 3
1. 缺陷的分类和热力学过程 2. 缺陷的表示方法
3. 晶体的点缺陷和化学整比性 4. 电子缺陷及能带结构 5. 半导体中的点缺陷：
本征点缺陷(intrinsic) 掺杂点缺陷(extrinsic)
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3.1 缺 陷 的 分 类
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Point, line, planar, and volumetric defects
Length Scale of Imperfections
Voids
Vacancies, Inclusions impurities
precipitates
dislocations Grain and twin
boundaries
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Defect Formation and Equilibrium ? 完美的晶体是没有热力学地位的 Free energy vs number n of defects ?Hn = n?H ?Sn = n?Svib + ?Sconf ?G = n?H - Tn?Svib - T?Sconf 位置的选择所引起的熵变称为构型熵， 根据Boltzmann公式： S=klnw 2015年秋季硕士研究生 C 7 ?Sconf = k lnW = k ln[(N+n)!/(N!n!)]
(For large x: Stirling: lnx! ? xlnx – x) Equilibrium at d?G/dn = 0
d?G/dn = ?H - T?Svib - kT ln[(N+n)/n] = 0
n/(N+n) = C = exp(?Svib/k - ?H/kT)
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本征(Intrinsic)缺陷
? 含有本征缺陷的晶体是指那些不含外来杂 质但其结构并不完善的晶体
(1) 晶体中各组分偏离化学整比性；
(2) 点阵格位上缺少某些原子/离子(空位缺陷)； (3) 在格位的间隙处存在原子/离子(间隙缺陷)； (4) 一类原子/离子占据了另一类原子/离子本该占据的格位(错位缺陷)。
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杂质缺陷
? 指杂质或溶剂原子进入晶格所引起的缺陷
杂质原子/离子能否进入某种物质的晶体中或者取代某个原子/离子，取决与能量效应是否有利，
离子之间的静电作用能、键合能相应的体积效应等因素。
? 对于生成间隙，杂质原子/离子能否进入晶体的间 隙位置，主要决定于体积效应。只有那些半径较小的原子或离子才有可能成为间隙杂质缺陷。如：H、C原子，Li+、Cu+离子等。
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