晶体结构第四章晶体缺陷4.1定义和分类4.2点缺陷及其运动热平衡状态下的点缺陷原子扩散理论离子晶体中的点缺陷和离子性导电4.3位错4.4缺陷的实验观测参考：黄昆书12章；Kittel书8版20，21章Henderson《晶体缺陷》；Busch书4章4.1定义和分类：所有与晶体结构严格三维周期排列的偏离都可以被认为是晶体缺陷或不完整性，实际晶体都是有缺陷的不完整晶体。按照尺度、维度可以将晶体缺陷划分为：点缺陷（零维）：空位；间隙原子；杂质；错位……线缺陷（一维）：刃型位错，螺旋位错面缺陷（二维）：小角晶界，堆垛层错体缺陷（三维）：多晶晶粒间界，空洞，包藏物，异相物等本征缺陷（热缺陷）：空位式缺陷，又称肖特基（Schottky）缺陷填隙式缺陷，又称弗仑克尔（Frenkel）缺陷外来缺陷：替位式原子（如同位素原子、杂质和掺杂原子等)间隙式原子（如杂质和掺杂原子）无序缺陷：换位式缺陷（不同原子的偶尔换位）离子晶体中的肖特基缺陷离子晶体中的弗仑克尔缺陷掺入二价元素后，在卤化碱晶体中出现的空位刃型位错示意图螺旋位错示意图面缺陷体缺陷缺陷的来源：晶体在生成过程中或在合金化过程中携带的或有意掺入的杂质或生成的缺陷；晶体在加工和使用过程中产生的缺陷（主要指位错）；受电子束离子束强辐照后产生的缺陷；原子自身热运动所产生的缺陷，后者即使在没有杂质的理想配比的晶体中也是存在的，所以又称本征缺陷。研究缺陷的意义：按严格周期性模型给出的理论结果和实际晶体的测量结果之间总会存在一些差别，对实际晶体中存在的缺陷分析将帮助我们解释产生这些差异的原因。另一方面，晶体中的缺陷对许多重要的晶体性质可能会起着支配作用，有时侯基质晶体反而仅仅只需要作为缺陷的载体看待即可，研究缺陷的性质和运动才是解释这些性质的关键。比如：半导体的导电率；许多晶体的颜色和光学性质；晶体中的原子扩散，力学性质和范性形变等。特别是金属和合金的强度和范性形变理论就是建立在对位错了解的基础上，它已是固体研究的一个独立学科了。4.2点缺陷及其运动热平衡状态下的点缺陷(黄昆书12.3节)Schottky缺陷浓度公式的推导：因而存在ns个空位时，自由能函数将改变：点缺陷存在的实验证明由公式二.原子扩散理论（黄昆书12.4节）样品中原子浓度不均匀时，原子就会从高浓度区向低浓度区迁移，直到样品中原子分布均匀为止。这种原子的迁移现象叫扩散。扩散现象对固体材料的应用有着重要影响，如半导体Si，Ge中可以通过扩散Ⅲ-Ⅴ族元素来控制其导电类型和电阻率；扩散现象也决定着或影响着固体的许多物理性质。晶体中原子的扩散现象和其存在的点缺陷是密切相关的。扩散的三种基本机制：Kittel8版p397描述扩散现象的宏观规律：将一定量的扩散物质涂在一半无限大晶体的一端面上，厚度为，在温度T下，使其从晶体表面向内部扩散，求扩散物质在晶体中的分布。满足上述条件的解为：扩散系数与温度的关系：扩散系数与温度有密切关系，温度越高，扩散就越快。我们可在不同温度下测量原子的扩散系数D(T)，实验发现，若温度变化范围不太宽，那么，扩散系数与温度的关系为Kittel第8版p398微观理论的描述：间隙位置上杂质原子的扩散空位式扩散离子晶体中的点缺陷离子性导电：离子晶体中，带电离子被固定在晶格位置上，理想情形电场作用下是不导电的，应该是绝缘体。但实际晶体中却存在一定的导电性，而且电导率是温度的敏感函数，温度高时可以有和金属相同量级的电导率，分析表明这是由于点缺陷的存在及其扩散运动促成了离子晶体中正负离子在电场作用下定向漂移的结果，称之为离子性导电。离子晶体中的点缺陷（空位和间隙原子）都带有一定电荷，没有外场时做无规则的布朗运动，不产生宏观电流。当有外电场时，外电场对它们携带电荷的作用，使布朗运动产生一定的倾向，从而引起宏观电流。通过分析可以给出离子性导电的欧姆定律表达式。（见黄昆书p555）离子导电性研究是探讨晶格缺陷的重要工具对于含有已知量二价金属离子的卤化碱和卤化银进行的研究工作表明：在不很高的温度下，离子电导率正比于二价掺杂的量。这并不是由于二价离子本征的活动性高，因为在阴极上淀积出来的主要是单价金属离子。伴随着二价离子而引入的晶格空位增进了扩散。晶格空位向某一方向扩散相当于原子向相反的方向扩散。NaCl晶体电导率的对数随103/T的变化从上述讨论中得到启发，人们发现并制备出室温下即有高电导率的离子晶体，称为快离子导体（SuperionicConductors），快离子晶体与其它离子晶体没有截然的界限，它们都显示出某些离子导电性，一般说来，在固相中的离子电导率类似于熔体（σ≥10－1Ω－1﹒cm-1），而激活能很低（10-1eV）是快离子导体的公认