第二章--晶体缺陷.pptx
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1、第二章第二章 晶体缺陷晶体缺陷材料的实际晶体结构材料的实际晶体结构点缺陷点缺陷位错的基本概念位错的基本概念位错的弹性特征位错的弹性特征晶体中的界面晶体中的界面第一节第一节 材料的实际晶体结构材料的实际晶体结构一、多晶体结构一、多晶体结构单晶体单晶体:一块晶体材料,其内部一块晶体材料,其内部的晶体位向完全一致时,即的晶体位向完全一致时,即整个材料是一个晶体,这块整个材料是一个晶体,这块晶体就称之为晶体就称之为“单晶体单晶体”,实用材料中如半导体集成电实用材料中如半导体集成电路用的单晶硅、专门制造的路用的单晶硅、专门制造的金须和其他一些供研究用的金须和其他一些供研究用的材料。材料。一、多晶体结构一
2、、多晶体结构第一节第一节 材料的实际晶体结构材料的实际晶体结构多晶体多晶体:实际应用的工程材料实际应用的工程材料中,那怕是一块尺寸很小中,那怕是一块尺寸很小材料,绝大多数包含着许材料,绝大多数包含着许许多多的小晶体,每个小许多多的小晶体,每个小晶体的内部,晶格位向是晶体的内部,晶格位向是均匀一致的,而各个小晶均匀一致的,而各个小晶体之间,彼此的位向却不体之间,彼此的位向却不相同。称这种由多个小晶相同。称这种由多个小晶体组成的晶体结构称之为体组成的晶体结构称之为“多晶体多晶体”。一、多晶体结构一、多晶体结构第一节第一节 材料的实际晶体结构材料的实际晶体结构晶粒:晶粒:多晶体材料中每个多晶体材料中
3、每个小晶体的外形多为不规则小晶体的外形多为不规则的颗粒状,通常把它们叫的颗粒状,通常把它们叫做做“晶粒晶粒”。晶界:晶界:晶粒与晶粒之间的晶粒与晶粒之间的分界面叫分界面叫“晶粒间界晶粒间界”,或简称或简称“晶界晶界”。为了适。为了适应两晶粒间不同晶格位向应两晶粒间不同晶格位向的过渡,在晶界处的原子的过渡,在晶界处的原子排列总是不规则的。排列总是不规则的。二、多晶体的组织二、多晶体的组织与性能:与性能:第一节第一节 材料的实际晶体结构材料的实际晶体结构伪各向同性:伪各向同性:多晶体材料中,尽管每个晶粒内部象单多晶体材料中,尽管每个晶粒内部象单晶体那样呈现各向异性,每个晶粒在空间取向是随机晶体那样
4、呈现各向异性,每个晶粒在空间取向是随机分布,大量晶粒的综合作用,整个材料宏观上不出现分布,大量晶粒的综合作用,整个材料宏观上不出现各向异性,这个现象称为多晶体的伪各向同性。各向异性,这个现象称为多晶体的伪各向同性。组织:组织:性能:性能:组织敏感的性能组织敏感的性能组织不敏感的性能组织不敏感的性能三、晶体中的缺陷概论三、晶体中的缺陷概论第一节第一节 材料的实际晶体结构材料的实际晶体结构晶体缺陷:晶体缺陷:即使在每个晶粒的内部,也并不完全象即使在每个晶粒的内部,也并不完全象晶体学中论述的晶体学中论述的(理想晶体理想晶体)那样,原子完全呈现那样,原子完全呈现周期性的规则重复的排列。把实际晶体中原子
5、排周期性的规则重复的排列。把实际晶体中原子排列与理想晶体的差别称为晶体缺陷。晶体中的缺列与理想晶体的差别称为晶体缺陷。晶体中的缺陷的数量相当大,但因原子的数量很多,在晶体陷的数量相当大,但因原子的数量很多,在晶体中占有的比例还是很少,材料总体具有晶体的相中占有的比例还是很少,材料总体具有晶体的相关性能特点,而缺陷的数量将给材料的性能带来关性能特点,而缺陷的数量将给材料的性能带来巨大的影响。巨大的影响。三、晶体中的缺陷概论三、晶体中的缺陷概论第一节第一节 材料的实际晶体结构材料的实际晶体结构晶体缺陷按范围分类:晶体缺陷按范围分类:1.点缺陷点缺陷 在三维空间各方向上尺寸都很小,在原在三维空间各方
6、向上尺寸都很小,在原子尺寸大小的晶体缺陷。子尺寸大小的晶体缺陷。2.线缺陷线缺陷 在三维空间的一个方向上的尺寸很大在三维空间的一个方向上的尺寸很大(晶晶粒数量级粒数量级),另外两个方向上的尺寸很小,另外两个方向上的尺寸很小(原子尺原子尺寸大小寸大小)的晶体缺陷。其具体形式就是晶体中的的晶体缺陷。其具体形式就是晶体中的位错位错Dislocation 3.面缺陷面缺陷 在三维空间的两个方向上的尺寸很大在三维空间的两个方向上的尺寸很大(晶晶粒数量级粒数量级),另外一个方向上的尺寸很小,另外一个方向上的尺寸很小(原子尺原子尺寸大小寸大小)的晶体缺陷。的晶体缺陷。第二节第二节 点缺陷点缺陷点缺陷:点缺陷
7、:在三维空间各方向上尺寸都很小,在原子尺寸大小在三维空间各方向上尺寸都很小,在原子尺寸大小的晶体缺陷。的晶体缺陷。一、点缺陷的类型一、点缺陷的类型:1)1)空位空位 在晶格结点位置应有原子的在晶格结点位置应有原子的地方空缺,这种缺陷称为地方空缺,这种缺陷称为“空位空位”。2)2)间隙原子间隙原子 在晶格非结点位置,往在晶格非结点位置,往往是晶格的间隙,出现了多余的原往是晶格的间隙,出现了多余的原子。它们可能是同类原子,也可能子。它们可能是同类原子,也可能是异类原子。是异类原子。3)3)异类原子异类原子 在一种类型的原子组成在一种类型的原子组成的晶格中,不同种类的原子替换原的晶格中,不同种类的原
8、子替换原有的原子占有其应有的位置。有的原子占有其应有的位置。二、点缺陷的形成二、点缺陷的形成弗仑克耳缺陷:原子离开平衡位置进入间隙,形成等量的空位和间隙原子。肖特基缺陷:只形成空位不形成间隙原子。(构成新的晶面)金属:离子晶体:1 负离子不能到间隙2 局部电中性要求三、点缺陷的表示三、点缺陷的表示Kroger-Vink提出了一套描写点缺陷的记号,并发展了应用质量作用定律等来处理晶格缺陷间关系的缺陷化学。以MO为例:空位 Vacancy VM,VO间隙原子 Interstitial Mi,Oi错位原子 MO,OM溶质原子(外来原子)LM,Li自由电子及电子空穴 e,,h带电荷的缺陷 VM,,VO
9、缺陷方程三原则:质量守恒,电荷平衡,正负离子格点成比例增减。肖特基缺陷生成:0VM,+VO弗仑克尔缺陷生成:0VM,+Mi 非计量氧化物:不等价参杂:第二节第二节 点缺陷点缺陷热力学分析表明,在高于热力学分析表明,在高于0K0K的任何温度下,晶体最稳定的状态的任何温度下,晶体最稳定的状态是含有一定浓度点缺陷的状态。此浓度称为点缺陷的平衡浓度。是含有一定浓度点缺陷的状态。此浓度称为点缺陷的平衡浓度。空位形成能空位形成能 空位的出现破坏了其周围的结合状态,因而造成空位的出现破坏了其周围的结合状态,因而造成局部能量的升高,由空位的出现而高于没有空位时的那一部分局部能量的升高,由空位的出现而高于没有空
10、位时的那一部分能量称为能量称为“空位形成能空位形成能”。在一摩尔的晶体中如存在在一摩尔的晶体中如存在n n个空位,晶体中有个空位,晶体中有N=6.023X10N=6.023X102323个晶格位置,这是空位的浓度为个晶格位置,这是空位的浓度为x=n/Nx=n/N,系统熵值为:,系统熵值为:空位的出现提高了体系的熵值空位的出现提高了体系的熵值 四、点缺陷的平衡浓度四、点缺陷的平衡浓度 设每个空位的形成能为设每个空位的形成能为u u,空位浓度为,空位浓度为x x时自由能时自由能的变化为:的变化为:第二节第二节 点缺陷点缺陷第二节第二节 点缺陷点缺陷例如例如:CuCu晶体得空位形成能为晶体得空位形成
11、能为0.9ev/atom=1.44X100.9ev/atom=1.44X10-19-19J/atomJ/atom,在,在500500时计算可得出平衡空位的浓度为时计算可得出平衡空位的浓度为1.4X101.4X10-6-6(很低很低),而,而在每立方米的铜晶体存在在每立方米的铜晶体存在1.2X101.2X102323个空位个空位(数量很多数量很多)。过饱和空位过饱和空位 晶体中含点缺陷的数目明显超过平衡晶体中含点缺陷的数目明显超过平衡值。如高温下停留平衡时晶体中存在一平衡空位,值。如高温下停留平衡时晶体中存在一平衡空位,快速冷却到一较低的温度,晶体中的空位来不及移快速冷却到一较低的温度,晶体中的
12、空位来不及移出晶体,就会造成晶体中的空位浓度超过这时的平出晶体,就会造成晶体中的空位浓度超过这时的平衡值。过饱和空位的存在是一非平衡状态,有恢复衡值。过饱和空位的存在是一非平衡状态,有恢复到平衡态的热力学趋势,在动力学上要到达平衡态到平衡态的热力学趋势,在动力学上要到达平衡态还要一时间过程。还要一时间过程。五、点缺陷对材料性能的影响五、点缺陷对材料性能的影响第二节第二节 点缺陷点缺陷原因:原因:无论那种点缺陷的存在,都会使其附近的原子稍微偏无论那种点缺陷的存在,都会使其附近的原子稍微偏离原结点位置才能平衡,即造成小区域的晶格畸变。离原结点位置才能平衡,即造成小区域的晶格畸变。效果效果1)1)提
13、高材料的电阻提高材料的电阻 定向流动的电子在点缺陷处受到非定向流动的电子在点缺陷处受到非平衡力平衡力(陷阱陷阱),增加了阻力,加速运动提高局部温度,增加了阻力,加速运动提高局部温度(发热发热)。2)2)加快原子的扩散迁移加快原子的扩散迁移 空位可作为原子运动的周转站。空位可作为原子运动的周转站。3)3)形成其他晶体缺陷形成其他晶体缺陷 过饱和的空位可集中形成内部的过饱和的空位可集中形成内部的空洞,集中一片的塌陷形成位错。空洞,集中一片的塌陷形成位错。4)4)改变材料的力学性能改变材料的力学性能 空位移动到位错处可造成刃位空位移动到位错处可造成刃位错的攀移,间隙原子和异类原子的存在会增加位错的错
14、的攀移,间隙原子和异类原子的存在会增加位错的运动阻力。会使强度提高,塑性下降、运动阻力。会使强度提高,塑性下降、第三节第三节 位错的基本概念位错的基本概念 线缺陷:线缺陷:在三维空间的一个方向上的尺寸很大在三维空间的一个方向上的尺寸很大(晶粒数量级晶粒数量级),另外两个方向上的尺寸很小,另外两个方向上的尺寸很小(原子尺寸大小原子尺寸大小)的晶体缺陷。的晶体缺陷。其具体形式就是晶体中的位错其具体形式就是晶体中的位错Dislocation 一、位错的原子模型一、位错的原子模型 将晶体的上半部分向左移动一个原子间距,再按原子的将晶体的上半部分向左移动一个原子间距,再按原子的结合方式连接起来结合方式连
15、接起来(b)。除分界线附近的一管形区域例外,其。除分界线附近的一管形区域例外,其他部分基本都是完好的晶体。在分界线的上方将多出半个原他部分基本都是完好的晶体。在分界线的上方将多出半个原子面,这就是刃型位错。子面,这就是刃型位错。一、位错的原子模型一、位错的原子模型第三节第三节 位错的基本概念位错的基本概念 若将上半部分向上移动一个原子间距,之间插入半个原子面,若将上半部分向上移动一个原子间距,之间插入半个原子面,再按原子的结合方式连接起来,得到和再按原子的结合方式连接起来,得到和(b)(b)类似排列方式类似排列方式(转转9090度度),这也是刃型位错。,这也是刃型位错。一、位错的原子模型一、位
16、错的原子模型第三节第三节 位错的基本概念位错的基本概念 若将晶体的上半部分向后若将晶体的上半部分向后移动一个原子间距,再按原子移动一个原子间距,再按原子的结合方式连接起来的结合方式连接起来(c)(c),同样,同样除分界线附近的一管形区域例除分界线附近的一管形区域例外,其他部分基本也都是完好外,其他部分基本也都是完好的晶体。而在分界线的区域形的晶体。而在分界线的区域形成一螺旋面,这就是螺型位错。成一螺旋面,这就是螺型位错。一、位错的原子模型一、位错的原子模型第三节第三节 位错的基本概念位错的基本概念 位错的形式位错的形式:若将上半部分向上移动一个原子间距,之间插入半个原子若将上半部分向上移动一个
17、原子间距,之间插入半个原子面,再按原子的结合方式连接起来,得到和面,再按原子的结合方式连接起来,得到和(b)(b)类似排列类似排列方式方式(转转9090度度),这也是刃型位错。,这也是刃型位错。二、柏氏矢量二、柏氏矢量 第三节第三节 位错的基本概念位错的基本概念 确定方法:确定方法:首先在原子排列基本正常区域作一个包含位错的首先在原子排列基本正常区域作一个包含位错的回路,也称为柏氏回路,这个回路包含了位错发生的畸变。回路,也称为柏氏回路,这个回路包含了位错发生的畸变。然后将同样大小的回路置于理想晶体中,回路当然不可能然后将同样大小的回路置于理想晶体中,回路当然不可能封闭,需要一个额外的矢量连接
18、才能封闭,这个矢量就称封闭,需要一个额外的矢量连接才能封闭,这个矢量就称为该位错的柏氏为该位错的柏氏(Burgers)(Burgers)矢量。矢量。说明:这是一个并不十分准确的定义方法。柏氏矢量的方向与位错线方向的定义有关,应该首先定义位错线的方向,再依据位错线的方向来定柏氏回路的方向,再确定柏氏矢量的方向。在专门的位错理论中还会纠正。二、柏氏矢量二、柏氏矢量 第三节第三节 位错的基本概念位错的基本概念 柏氏矢量与位错类型的关系:柏氏矢量与位错类型的关系:刃型位错刃型位错 柏氏矢量与位错线相互垂直。柏氏矢量与位错线相互垂直。(依方向关系可依方向关系可分正刃和负刃型位错分正刃和负刃型位错)螺型位
19、错螺型位错 柏氏矢量与位错线相互平行。柏氏矢量与位错线相互平行。(依方向关系可依方向关系可分左螺和右螺型位错分左螺和右螺型位错)混合位错混合位错 柏氏矢量与位错线的夹角非柏氏矢量与位错线的夹角非0 0或或9090度。度。柏氏矢量守恒:柏氏矢量守恒:同一位错的柏氏矢量与柏氏回路的大小和走向无关。同一位错的柏氏矢量与柏氏回路的大小和走向无关。位错不可能终止于晶体的内部,只能到表面、晶界和其他位位错不可能终止于晶体的内部,只能到表面、晶界和其他位错,在位错网的交汇点,必然错,在位错网的交汇点,必然 三、位错的运动三、位错的运动 第三节第三节 位错的基本概念位错的基本概念 滑移面滑移面:过位错线并和柏
20、氏矢量平行的平面:过位错线并和柏氏矢量平行的平面(晶面晶面)是该位错的滑移面。是该位错的滑移面。位错的滑移运动位错的滑移运动:位错在滑移面上的运动。:位错在滑移面上的运动。三、位错的运动三、位错的运动 第三节第三节 位错的基本概念位错的基本概念 刃型位错的滑移运动:在图示的晶体上施加一切应力,当应力刃型位错的滑移运动:在图示的晶体上施加一切应力,当应力足够大时,有使晶体上部向有发生移动的趋势。假如晶体足够大时,有使晶体上部向有发生移动的趋势。假如晶体中有一刃型位错,显然位错在晶体中发生移动比整个晶体中有一刃型位错,显然位错在晶体中发生移动比整个晶体移动要容易。因此,移动要容易。因此,位错的运动
21、在外加切应力的作用下位错的运动在外加切应力的作用下发生;发生;位错移动的方向和位错线垂直;位错移动的方向和位错线垂直;运动位错扫过运动位错扫过的区域晶体的两部分发生了柏氏矢量大小的相对运动的区域晶体的两部分发生了柏氏矢量大小的相对运动(滑移滑移);位错移出晶体表面将在晶体的表面上产生柏氏矢量大位错移出晶体表面将在晶体的表面上产生柏氏矢量大小的台阶。小的台阶。三、位错的运动三、位错的运动 第三节第三节 位错的基本概念位错的基本概念 螺型位错的滑移:在图示的晶体上施加一切应力,当应力足够大螺型位错的滑移:在图示的晶体上施加一切应力,当应力足够大时,有使晶体的左右部分发生上下移动的趋势。假如晶体中有
22、一时,有使晶体的左右部分发生上下移动的趋势。假如晶体中有一螺型位错,显然位错在晶体中向后发生移动,移动过的区间右边螺型位错,显然位错在晶体中向后发生移动,移动过的区间右边晶体向下移动一柏氏矢量。因此,晶体向下移动一柏氏矢量。因此,螺位错也是在外加切应力的螺位错也是在外加切应力的作用下发生运动;作用下发生运动;位错移动的方向总是和位错线垂直;位错移动的方向总是和位错线垂直;运动运动位错扫过的区域晶体的两部分发生了柏氏矢量大小的相对运动位错扫过的区域晶体的两部分发生了柏氏矢量大小的相对运动(滑移滑移);位错移过部分在表面留下部分台阶,全部移出晶体的位错移过部分在表面留下部分台阶,全部移出晶体的表面
23、上产生柏氏矢量大小的完整台阶。这四点同刃型位错。表面上产生柏氏矢量大小的完整台阶。这四点同刃型位错。三、位错的运动三、位错的运动 第三节第三节 位错的基本概念位错的基本概念 刃、螺型位错滑移的比较:刃、螺型位错滑移的比较:因为位错线和柏氏矢量平行,所以螺型位错可以有多个滑因为位错线和柏氏矢量平行,所以螺型位错可以有多个滑移面,螺型位错无论在那个方向移动都是滑移。移面,螺型位错无论在那个方向移动都是滑移。晶体两部分的相对移动量决定于柏氏矢量的大小和方向,晶体两部分的相对移动量决定于柏氏矢量的大小和方向,与位错线的移动方向无关。与位错线的移动方向无关。三、位错的运动三、位错的运动 第三节第三节 位
24、错的基本概念位错的基本概念 分析一位错环的运动分析一位错环的运动三、位错的运动三、位错的运动 第三节第三节 位错的基本概念位错的基本概念 综合位错的运动综合位错的运动:以位错环为例来说明。在一个滑移面上存在:以位错环为例来说明。在一个滑移面上存在一位错环,如图所示,简化为一多边型。前后为刃位错,在切一位错环,如图所示,简化为一多边型。前后为刃位错,在切应力应力的作用下,后部的半原子面在上方向后移动;前部的半的作用下,后部的半原子面在上方向后移动;前部的半原子面在下方,向前运动。左右为螺位错,但螺旋方向相反,原子面在下方,向前运动。左右为螺位错,但螺旋方向相反,左边向左,右边向右运动;其他为混合
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