材料缺陷化学讲课讲稿.ppt

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1、材料缺陷化学理想晶体的格点在三维空间作周期性的排列，是高度有序的空间点阵结构。实际晶体的格点在三维空间也作周期性的排列，但有些格点会偏离原有位置。缺陷是指实际材料结构中与其理想点阵结构发生偏差的区域。现实中不存在理想完整没有任何缺陷的材料。实际上，如果把一个理想的完整晶体看成是完全有序的结构，那么它的原子是静止不动的，并且电子处在最低能量状态（价带），导带中的能级全部空着。1、引言2缺陷与性能关系缺陷对材料的性质有极大的影响，特别是对晶体材料的光学、电学、声学、力学和热学等方面的性质及其应用水平。力学——纤维与块体材料性能比较导电——聚乙炔导电性的提高光学——窄线宽激光器磁性——

2、不同掺杂导致不同的磁性能纳米材料与缺陷3缺陷化学的重要性材料的缺陷控制：过去和现用材料的主要问题，也是现在和将来新材料研制开发的重要着眼点之一。既可以通过减少材料中的缺陷种类和降低缺陷浓度来改善其性能，也可以通过引入某种缺陷而改变材料的某方面性质。可以说，现在几乎没有哪个工业技术部门或者基础理论研究领域不涉及到固体缺陷的理论研究和应用研究的问题。缺陷化学（DefectChemistry）是研究固体物质（材料）中的微观、显微微观缺陷（主要是点缺陷）的产生，缺陷的平衡，缺陷存在对材料性质的影响以及如何控制材料中缺陷的种类和浓度问题。缺陷化学是固体化学的一个重要分支学科，属材料科学的范

3、畴。42、无机材料中的缺陷化学与功能陶瓷5缺陷的来源热缺陷：在高于绝对温度零度时，晶格离子（原子或离子）的热运动导致生成点缺陷，缺陷浓度与缺陷的形成能有关。缺陷形成能越低，缺陷浓度越大。掺杂缺陷：由于存在杂质或者掺杂剂，当形成固溶体时，造成晶格结点上分布粒子的差异。缺陷浓度与杂质或掺杂剂浓度有关。与环境介质交换所引起的缺陷：在环境介质作用下，晶格原子逸出晶格或吸收过量原子进入晶格，离子晶格则伴生相应的电离化作用。外部作用：机械力、辐射损伤可造成晶体缺陷，外电场或外磁场等外部作用也可能引入缺陷。6点缺陷的热力学分析在一定浓度范围内，缺陷的生成会导致吉布斯自由能ΔG下降。S=klnW

4、S：构型熵k：波尔兹曼常数W：几率，正比于1023ΔG=ΔH–TΔSGf:摩尔缺陷自由能变化；Hf:摩尔缺陷生成焓；Sw:摩尔缺陷结构熵变化。在完整点阵结构的晶体中引缺陷后能量的变化7缺陷分类-按几何构型根据缺陷大小、形状、作用范围分类点缺陷——电子型、原子型缺陷、缔合缺陷线缺陷——指晶体中沿某一条线附近的原子的排列偏离了理想晶体点阵结构的缺陷，又叫一维缺陷，例如晶体中的位错等。面缺陷——又称二维缺陷。例如表面、界面、晶粒间界、相界和堆垛层错等。电介质中有时引入“电畴”的概念，其畴壁也是面缺陷。体缺陷——指晶体中在三维方向上相对尺寸比较大的缺陷，所以也叫三维缺陷。例如，晶体

5、中包藏的杂质、沉淀和空洞等。这些缺陷和基质晶体已经不属于同一物相，是异相缺陷。8原子性缺陷空位——正常晶格格点上失去了原子或离子;间隙原子或离子——填充在正常晶格原子或离子之间的额外原子或离子;错位原子——一种类型的原子或离子处在正常情况下应该处在为另一种原子或离子所占据的位置上。外来原子——不是固体的固有成晶粒子。它们可以处在间隙位置，也可以取代正常晶格中的固有粒子。9电子性缺陷10缔合缺陷简单缺陷的构型不一定都是最稳定的结构。例如，紧密结合在一起的一对空位的能量比两个分离的缺陷的能量要低，此时就形成“双空位”、“复合空位”，与此类似的还有“双间隙原子”等等。11121314F

6、renkel缺陷－具有等浓度的晶格空位与间隙原子的缺陷。弗仑克尔缺陷15Schottky缺陷－阴离子与阳离子空位同时产生的缺陷。肖特基缺陷16缺陷化学的符号!!－请注意表达法及其意义晶体中点缺陷的种类很多，有必要采用统一的符号来表示。克罗格－文克（Kroger-Vink）提出了一套缺陷化学符号，实际使用结果表明，克罗格－文克缺陷符号最方便和最清楚，现已成为国际上通用的符号。他们发展了应用质量作用定律来处理晶格缺陷间关系的缺陷化学。此外，还有瓦格那符号和肖特基符号等13套缺陷化学符号。17对化合物M2+X2-而言，各种点缺陷的克罗格－文克符号如下表示：M表示正电荷高的组分;X表示负

7、电荷高的组分；F表示异类杂质；在M和X中出现空位时，用符号V表示，符号i表示间隙位置。Interstitialatom；Vacancy18质点的具体分布位置的情况，用下标注明。例如，VA表示晶体格点A上的空位，这个位置本来应由A原子占据但未占据；用Ai表示间隙原子A；FA表示晶格A的格点被杂质原子F占据；AA表示正常格点A上的A原子；Vi表示未被占据（空着）的间隙。若MX中产生位错原子，则X原子占据了应该由M原子正常占据的位置就由XM表示。复合缺陷是一种缺陷，是与其他缺陷缔合起来