第五章晶体缺陷

第五章晶体缺陷 完美晶体：无限大晶体；所有原子或离子都排列在晶格中它们自己的位置上(无热振动）；没有晶格空位；没有间隙原子或离子；没有外来的杂质；晶体的原子之比符合化学计量比。

实际晶体： 与理想晶体有一些差异。如：存在表面与界面，处于晶体表面的原子或离子与体内的不同；原子或离子脱离平衡位置形成空位；存在杂质原子; 有热振动；偏离化学计量比。

晶体缺陷的存在，破坏了完美晶体的有序性，引起晶体内能U和熵S增加。晶体缺陷的存在，破坏了完美晶体的有序性，引起晶体内能U和熵S增加。按缺陷在空间的几何构型可将缺陷分为点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷。它们分别取决于缺陷的延伸范围是零维、一维、二维还是三维来近似描述。每一类缺陷都会对晶体的性能产生很大影响，例如点缺陷会影响晶体的电学、光学等性能，线缺陷会严重影响晶体的强度等机械性能。

§5-1 点缺陷 是由于热运动,晶体中以空位、间隙原子、杂质原子为中心，在一个或几个原子尺寸范围的微观区域内形成的畸变区域。点缺陷是是晶体中最简单、最常见或者说一定存在的缺陷形式。

一、点缺陷的类型 （1）肖脱基（Schottky）缺陷晶体内部格点上的原子或离子运动到表面，在晶体内留空位。形成一个空位所需的能量 (~ 1eV)

动画晶体缺陷GT011,012 （2）费伦克尔（Frenkel）缺陷如果晶体内部格点上的原子移到晶格间隙位置形成间隙原子，同时在原来的格点位置上留下空位。形成空位-间隙原子。

（3）填隙原子缺陷 形成填隙原子的几率与原子半径和晶体结构相关。对多数晶体，形成填隙缺陷需要更大的能量。形成一个间隙原子所需能量 (~ 5eV) 通常晶体中主要的热缺陷是空位。

（4）色心 色心是一种非化学计量比引起的空位缺陷。该空位能够吸收可见光使原来透明的晶体出现颜色，因而称它们为色心。 F心是离子晶体中的一个负离子空位束缚一个电子构成的点缺陷。形成过程是碱卤晶体在相应的过量碱金属蒸汽中加热，例如：NaCl晶体在Na蒸汽中加热后呈黄色；KCl晶体在K蒸汽中加热后呈紫色；LiF在Li蒸汽中加热后呈粉红色。动画晶体缺陷GT019

与F心相对的色心是V心。 当碱卤晶体在过量的卤素蒸汽中加热后，由于大量的卤素进入晶体，为保持电中性，在晶体中出现了正离子空位,形成负电中心。这种负电中心可以束缚一个带正电的“空穴”所组成的体系称为V心。

V心和F心在结构上是碱卤晶体中两种最简单的缺陷。在有色心存在的晶体中，A、B两种元素的比例已偏离严格的化学计量比。所以色心也是一种非化学计量引起的缺陷。V心和F心在结构上是碱卤晶体中两种最简单的缺陷。在有色心存在的晶体中，A、B两种元素的比例已偏离严格的化学计量比。所以色心也是一种非化学计量引起的缺陷。

二、杂质原子 当杂质原子取代基质原子占据规则的格点位置时，形成替位式杂质；若杂质原子占据间隙位置，形成间隙式杂质。

替位式杂质在晶体中的固溶限决定于晶体结构、原子（离子）半径、电负性和化学价等因素。替位式杂质在晶体中的固溶限决定于晶体结构、原子（离子）半径、电负性和化学价等因素。

杂质通常引起并存的电子缺陷，从而明显的改变材料的导电性。例如： Si晶体中含有As5+、P5＋时，由于金刚石四面体键仅需4个电子，所以每个As、P多了一个电子；如果Si晶体中含有三价原子时，由于共价键中缺少一个电子而形成电子空位；这种掺杂的Si晶体都因杂质原子的存在而是电导率有很大提高。

缺陷能级

杂质的补偿

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