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第二章 晶体结构缺陷_图文

第二章

晶体结构缺陷

我们在讨论晶体结构时,是将晶体看成无限大,并且构成晶体的每个粒子(原子、分 子或离子)都是在自己应有的位置上,这样的理想结构中,每个结点上都有相应的粒子, 没有空着的结点,也没有多余的粒子,非常规则地呈周期性排列。实际晶体是这样的吗? 测试表明,与理想晶体相比,实际晶体中会有正常位置空着或空隙位置填进一个额外质点, 或杂质进入晶体结构中等等不正常情况,热力学计算表明,这些结构中对理想晶体偏离的 晶体才是稳定的,而理想晶体实际上是不存在的。结构上对理想晶体的偏移被称为晶体缺 陷。 实际晶体或多或少地存在着缺陷,这些缺陷的存在自然会对晶体的性质产生或大或小 的影响。晶体缺陷不仅会影响晶体的物理和化学性质,而且还会影响发生在晶体中的过程, 如扩散、烧结、化学反应性等。因而掌握晶体缺陷的知识是掌握材料科学的基础。 晶体的结构缺陷主要类型如表2—1所示。这些缺陷类型,在无机非金属材料中最基本 和最重要的是点缺陷,也是本章的重点。
表 2— 1 晶体 结 构缺 陷 的主 要类 型 名称 声子 电子、空穴 空位 填隙原子 取代原子 缔合中心 缺陷簇 切变结构 块结构 位错 晶体表面 晶粒晶界 孔洞和包裹物

2.1

点缺陷
缺陷种类

研究晶体的缺陷, 就是要讨论缺陷的产生、 缺陷类型、浓度大小及对各种性质的影响。 60 年代,F.A.Kroger和H.J.Vink建立了比较 完整的缺陷研究理论——缺陷化学理论,主要 用于研究晶体内的点缺陷。点缺陷是一种热力 学可逆缺陷,即它在晶体中的浓度是热力学参 数(温度、压力等)的函数,因此可以用化学 热力学的方法来研究晶体中点缺陷的平衡问 题,这就是缺陷化学的理论基础。点缺陷理论 的适用范围有一定限度,当缺陷浓度超过某一 临界值(大约在0.1原子%左右)时,由于缺陷的 相互作用,会导致广泛缺陷(缺陷簇等)的生
点缺陷

瞬变缺陷 电子缺陷 原子缺陷

广泛缺陷 线缺陷 面缺陷 体缺陷

成,甚至会形成超结构和分离的中间相。但大多数情况下,对许多无机晶体,即使在高 温 下点缺陷的浓度也不会超过上述极限。 缺陷化学的基本假设:将晶体看作稀溶液,将缺陷看成溶质,用热力学的方法研究各种 缺陷在一定条件下的平衡。也就是将缺陷看作是一种化学物质,它们可以参与化学反应—— 准化学反应,一定条件下,这种反应达到平衡状态。 2.1.1 点缺陷的类型 点缺陷主要是原子缺陷和电子缺陷,其中原子缺陷可以分为三种类型: (1)空位:在有序的理想晶体中应该被原子占据的格点,现在却空着。 (2)填隙原子:在理想晶体中原子不应占有的那些位置叫做填隙(或间隙)位置,处于填 隙(或间隙)位置上的原子就叫填隙(或间隙)原子。 (3)取代原子:一种晶体格点上占据的是另一种原子。如AB化合物晶体中,A原子占据了 B格点的位置,或B原子占据了A格点位置(也称错位原子) ;或外来原子(杂质原子)占据在A
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格点或B格点上。 晶体中产生以上各种原子缺陷的基本过程有以下三种: (1)热缺陷过程:当晶体的温度高于绝对0K时,由于晶格内原子热振动,原子的能量是 涨落的,总会有一部分原子获得足够的能量离开平衡位置,造成原子缺陷,这种缺陷称为热缺 陷.显然,温度越高,能离开平衡位置的原子数也越多。 晶体中常见的热缺陷有两种基本形式:弗伦克尔(Frenkel)缺陷和肖特基(Schottky)缺陷。 为简便起见,我们考虑—个二元化合物MX,具有所对应的晶体结构,在此晶体结构中,M 的位置数和X的位置数之比为1:1,并且该化合物晶体是电中性的。这是我们以往所学习的化学物 理知识所建立的。在这里,我们要重申:①由于晶体结构的特性,在缺陷形成的过程中,必须保 持位置比不变,否则晶体的构造就被破坏了;②晶体是电中性的。 如果在晶格热振动时,一些能量足够大的原子离开平衡位置后,挤到晶格的间隙中,形成间 隙原子,而原来位置上形成空位,这种缺陷称为弗伦克尔缺陷,如图2—1所示.

图2—1

Frenkel缺陷

图2—2

Schottky缺陷

Frenkel缺陷的特点是:①间隙原子和空位成对出现;②缺陷产生前后,晶体体积不变。 如果正常格点上的原子,在热起伏过程中获得能量离开平衡位且迁移到晶体的表面,在晶体 内正常格点上留下一套空位,这就是肖特基缺陷,如图2—1所示。 Schottky缺陷的特点是:①空位成套出现;②晶体的体积增加。例如NaCl晶体中,产生一个 Na 空位时,同时要产生一个Cl-空位。 这两种缺陷的产生都是由于原子的热运动,所以缺陷浓度与温度有关。 (2)杂质缺陷过程:由于外来原子进入晶体而产生缺陷。这样形成的固体称为固溶体。杂质原 子进入晶体后,因与原有的原子性质不同,故它不仅破坏了原有晶体的规则排列,而且在杂质原 子周围的周期势场引起改变,因此形成一种缺陷。根据杂质原子在晶体中的位置可分为间隙杂质 原子及置换(或称取代)杂质原子两种。杂质原子在晶体中的溶解度主要受杂质原子与被取代原子 之间性质差别控制,当然也受温度的影响,但受温度的影响要比热缺陷小。若杂质原子的价数不 同,则由于晶体电中性的要求,杂质的进入会同时产生补偿缺陷。这种补偿缺陷可能是带有效电 荷的原子缺陷,也可能是电子缺陷。 (3)非化学计量过程: 我们在无机化学等学科中学习过很多化学计量的化合物,如NaCl、KCl、 CaCO3等。一个化学计量的晶体是怎样的呢?晶体的组成与其位置比正好相符的就是化学计量晶 体,反之,如果晶体的组成与其位置比不符(即有偏离)的晶体就是非化学计量晶体。如TiO2晶 体中Ti格点数与O格点数之比为1:2,且晶体中Ti原子数与O原子数之比也是1:2,则符合化学计量 关系。而对TiO1.998来说,其化学组成Ti:O=1:1.998,TiO1.998的结构仍为TiO2结构,格点数之比仍 为1:2,所以,TiO1.998是非化学计量晶体。 非化学计量晶体的化学组成会明显地随周围气氛的性质和压力大小的变化而变化,但当周围 条件变化很大以后,这种晶体结构就会随之瓦解,而成为另一种晶体结构。非化学计量的结果往
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+

往使晶体产生原子缺陷的同时产生电子缺陷,从而使晶体的物理性质发生巨大的变化。如Ti02是 绝缘体,但TiO1.998却具有半导性质。 电子缺陷包括晶体中的准自由电子(简称电子)和空穴。电子缺陷可以通过本征过程(晶体 价带中的电子跃迁到导带中去)或原子缺陷的电离过程产生。 在无机晶体中原子按一定晶体结构周期性地排列在格点位置上,晶体中每一个电子都在带正 电的原子核及其他电子所形成的周期势场中运动,电子不再束缚于某一特定原子,而是整个晶体 共有的,特别是价电子的共有化是很显着的。按照固体能带理论,晶体中所有电子的能量处在不 同的能带中,能带中每个能级可以容纳二个自旋相反的电子。相邻两个能带之间的一些能量值, 电子是不允许有的,因此相邻二个能带间的能量范围称为“禁带” 。对于无机晶体,由于低能级 到高能级,能带中都占满了电子,这些能带称为“满带” 。能带最高的满带是由价电子能级构成 的,叫做“价带” 。价带上面的能带没有电子,称为“空带” 。当晶体处于绝对零度时,满带中没 有空能级(空的电子态) ,空带中也没有电子。这对应于晶体电子的有序状态。当温度升高时, 价带中一些热运动能量高的电子有可能越过禁带跃迁到上面的空带中。这就偏离了电子的有序 态,因此称其为电子缺陷:空带中的电子叫作自由电子,而价带中空出来的电子能级(电子态) 则叫作空穴。具有自由电子的空带又叫导带。通过电子从价带跃迁到导带产生电子缺陷的过程称 为本征过程。电子缺陷也可以通过原子缺陷的电离而产生。原子缺陷(包括空位、填隙原子和杂 质原子、错位原子)处的电子态不同于无缺陷处的电子态,原子缺陷的电子能级往往会落在价带 和导带之间的禁带中。若原子缺陷能级上有电子可以跃迁到导带从而产生自由电子,则这种原子 缺陷称为施主,施主给出电子的过程就是施主电离过程;若原子缺陷有空的能级,可以容纳从价 带跃迁上来的电子,则此原子缺陷叫作受主,受主接受从价带跃迁的不电子,同时在价带中产生 空穴的过程就是受主电离过程。` 2.1.2 点缺陷化学反应表示法 既然将点缺陷看成是化学物质,点缺陷之间会发生一系列类似化学反应的缺陷化学反应。因 此,我们首先要认识参与反应的缺陷符号。为讨论方便起见,目前采用得最广泛的表示方法是 Kroger—Vink符号,它由三部分构成,如下所示: 1 区 如Ai表示:A原子在填隙位置上; MA表示:M原子在A格点位置上;
1区写缺陷种类 右上角写缺陷有效电荷 右下角写缺陷在晶体中的位置

VA表示:A格点位置空着; Mi表示:M原子在填隙位置上。

关于有效电荷,Kroger方法规定:一个处在正常位置上的离子,当它的价数与化合物的化学 计量式相一致时,则它相对于晶格来说,所带电荷为零。“ ? ”表示有效正电荷;“×”表示有效零 电荷; “′”表示有效负电荷。如NiO晶格中,Ni2+和O2-相对于晶格的有效电荷为零。如NiO中有 部分Ni2+氧化成Ni3+,则这些Ni3+的有效电荷为+l;若A13+、Cr3+取代了Ni2+,则这些杂质离子的有 效电荷也是+1;如果是一价阳离子取代Ni2+,如Li+,则该缺陷的有效电荷为-1,所以该缺陷记为: Li?Ni 。下面列举NiO晶体中的几种缺陷及其相应表示方法: Ni2+在Ni格点位置上记为 Ni? ; Ni O2-在O格点位置上记为 O O ; Al3+在Ni格点位置上记为 Al?Ni ;
? Cr3+在Ni格点位置上记为 CrNi ; ?

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Li+在Ni格点位置上记为 Li? 。 Ni 下面再以MX离子晶体(M为二价阳离子、X为二价阴离子)为例来说明缺陷化学符号的表示 方法: (1)晶格中的空位:用VM和Vx分别表示M原子空位和X原子空位,V表示空位缺陷类型, 下标M、X表示原子空位所在的位置。必须注意,这种不带电的空位是表示原子空位。若MX是离 子晶体,当M2+离开其原来格点位置时,晶体中的这一点就少了两个正电荷,因此M空位相对于 ?? 晶格来说带两个有效负电荷,缺陷符号记为 VM 。 (2)填隙原子:Mi和Xi分别表示M及X原子处在间隙位置上。 (3)错位原子:Mx表示M原子占据在X位置上。 (4)杂质原子: L M 表示杂质L处在M位置上,Sx表示S杂质处在X位置。例如Ca取代了MgO 晶格中的Mg写作 Ca Mg 。Ca若填隙在MgO晶格中写作 Ca i 。 (5)自由电子及电子空穴:导带中的自由电子带一个有效负电荷,记作e?,价带中的空穴 带一个有效正电荷,记作 h ? 。 (6)缔合中心:一个带电的点缺陷也可能与另一个带有相反符号的点缺陷相互缔合成一组
?? ?? 或一群,一般把发生缔合的缺陷放在括号内来表示。例如 VM 和 VX 发生缔合可记作: VM VX ) ( ?? ?? 。

点缺陷产生和消灭的过程可以用化学反应式来表示,这种反应式的写法必须满足: (1)质量守衡:反应式左边出现的原子、离子,也必须以同样数量出现在反应式右边。注 意空位的质量为零;电子缺陷也要保持质量守衡。 (2)电荷守衡:反应式两边的有效电荷代数和必须相等。 (3)位置关系:晶体中各种格点数的固有比例关系必须保持不变。由于晶体结构要求各种 位置数有固定比例,因此反应前后,都必须保持这种比例。例如在α —Al203中,A1格点与O格点 数之比在反应前后,都必须是2:3。只要保持比例不变,每一种类型的位置总数可以改变。对一些 常常表现为非化学计量的化合物如Ti02-δ (δ很小)也必须保持固定比例, 即Ti格点数与O格点数之比 为1:2。 缺陷化学反应式在描述材料的掺杂、固溶体的生成和非化学计量化合物的反应中都是很重要 的。为了掌握上述规则在缺陷反应中的应用,现举例说明如下(对于二元化合物MX,假定为 M2+X2-) : (1)Schottky缺陷:生成等量的阴离子空位和阳离子空位(相当于等量的阴、阳离子从其正 常格点扩散到晶体表面),对于二元化合物M2+X2-可写成:
? ? 0 ? VX ? VM (0表示无缺陷状态) ? ? ?? 进一步电离有: VX ? VM ? 2h ? ?? VX ? VX ? 2e? ?? ?? 或者 0 ? VM ? VX

(2)Frenkel缺陷: 或
? M? ? M? ? VM M i ?? M? ? M?i? ? VM M

(3)MX变为非化学计量MX1-y,X进入气相中,相应X格点上产生空位:
? X ? ? VX ? X

1 X 2 (气) 2
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1 X 2 (气) 2 2? 2? 3 2 (4)如果有三价杂质 F2 ? X 3 ? 进入 M X ,并假设 F 处于 M 位,MX 具有 Frenkel 缺陷:

?? X ? ? VX ? 2e? ? X

? ?? F2 X3 ? 2FM ? VM ? 3X? X

(5)CaCl2溶解在KCl中,可能有以下三种情况:①每引进一个CaCl2分子,同时带进二个Cl和一个Ca2+离子。一个Ca2+置换一个K+,但由于引入两个Cl-,为保持原有格点数之比K:C1=1:1, 必然出现一个钾空位。
KCl ? CaCl2 ?? ? Ca ?K ? VK ? 2Cl? ? Cl

②除上式以外,还可以考虑一个Ca2+置换一个K+,而多一个Cl-进人填隙位置。 CaCl2 ? Ca ?K ? Cl? ? Cl? Cl i ③当然, 也可以考虑Ca2+进入填隙位置, 而Cl-仍然在C1位置上, 为了保持电中性和位置关系, 必须同时产生两个钾空位。写作: ? CaCl2 ? Ca ?i? ? 2VK ? 2Cl? Cl 上面三个缺陷反应式中,KCl表示溶剂,写在尖头上面,也可以不写;溶质写在箭头左边。 以上三个反应式均符合缺陷反应规则,反应式两边质量平衡,电荷守恒,位置关系正确。但三个 反应实际上是否都能存在呢?正确、严格判断它们的合理性需根据固溶体生成条件及固溶体研究 方法用实验证实。 但是可以根据离子晶体结构的一些基本知识, 粗略地分析判断它们的正确性. ③ 的不合理性在于离子晶体是以负离子作密堆,正离子位于密堆空隙内。既然有两个钾离子空位存 在,一般Ca2+首先填充空位,而不会挤到间隙位置使晶体不稳定因素增加。②由于氯离子半径大, 离子晶体的密堆中一般不可能挤进间隙氯离子,因而上面三个反应式以①最合理。 (6)MgO溶解到Al2O3晶格内形成有限置换型固溶体。此时可以写出以下两个反应式: ? ? 2MgO ? 2Mg ? ? Vo? ? 2O?O Al

3MgO ? 2Mg? ? Mg?i? ? 3O? Al O
以上两个反应式前一个较为合理,因为后一反应式中Mg2+离子进人晶格填隙位置,这在刚玉 型的离子晶体中不易发生。 2.1.3 热缺陷浓度计算 热缺陷是由于热起伏引起的,在热平衡条件下,热缺陷多少仅与晶体所处的温度有关。故在 某一温度下,热缺陷的数目可以用热力学中自由能最小原理来进行计算。现举肖特基缺陷为例。 设构成完整的单质晶体的原子数为N,在TK温度时形成n个孤立空位,每个空位形成能是Δ hν 。相应这个过程的自由能变化为Δ G,热焓的变化为Δ H,熵的变化为Δ S,则 (2—1) ?G ? ?H ? T?S ? n?h ? ? T?S 其中熵的变化分为两部分:一部分是由于晶体中产生缺陷所引起的微观状态数的增加而造成的, 称组态熵或混和熵Δ SC,根据统计热力学Δ SC=klnW,其中k是波兹曼常数,W是热力学几率。热 力学几率W是指n个空位在n十N个晶格位置不同分布时排列总方式数,即

W ? C n ?n ? N

( N ? n )! N!n!

(2—2)

另一部分是振动熵Δ Sν ,是由于缺陷产生后引起周围原子振动状态的改变而造成的,它和空位相 邻的晶格原子的振动状态有关,这样(2—1)式写作:

?G ? n?h ? ? T(?SC ? n?S? )
当平衡时, ??G / ?n ? 0
60

(2—3)

N ??G / ?n ? ?h ? ? T?S? ? dn !n ! kT 当x ? ?1时,根据斯特令公式 ln x!? x ln x ? x 或 d ln x! ? ln x dx

d ln

( N ? n )!

N ??G / ?n ? ?h ? ? T?S? ? [ d ln(dn?n )! ? d ln N! ? d ln n!]kT dn! dn

若将括号内第一项dn改为d(N十n)再用斯特令公式得:

∴ 当n ? ? N时

??G / ?n ? ?h ? ? T?S? ? kT ln Nn n ? 0 ? n ? e x p? ( ?h ? ?T?S? ) ] ? e x p? ?kTf ) [ ( G kT N?n
n ? exp( ? ?G f / kT ) N

(2—4)

(2—5)

Δ Gf是缺陷形成自由焓,在此近似地将其作为不随温度变化的常数看待。 在离子晶体中若考虑正、负离子空位成对出现,此时推导(2—5)时还需考虑正离子空 位数nm和负离子空位数nx。在这种情况下,微观状态数由于nm、nx同时出现,根据乘法原理(从 概率论得知,两个独立事件同时发生的几率等于每个事件发生几率的乘积) : W ? WM ? WX (2—6) 同样用上述方法计算可得:

n / N ? exp(??G f / 2kT)

(2—7)

(2—7)式即为热缺陷浓度与温度的关系式,同理弗伦克尔缺陷也推得(2—7)的结果。在 此式中n/N表示热缺陷在总结点中所占分数,即热缺陷浓度。Δ Gf分别代表空位形成自由能或填 隙缺陷形成自由能。 (2—7)式表明,热缺陷浓度随温度升高而呈指数增加;热缺陷浓度随缺陷 形成自由能升高而下降。表2—2是根据(2—7)式计算的缺陷浓度。当Δ Gf从leV升到8eV,温度 由1800℃降到100℃时,缺陷浓度可以从百分之几降到1/1054。但当缺陷的生成能不太大而温度 比较高时,就有可能产生相当可观的缺陷浓度。 在同一晶体中生成弗伦克尔缺陷与肖特基缺陷的能量往往存在着很大的差别,这样就使得在 某种特定的晶体中, 某一种缺陷占优势, 到目前为止, 尚不能对缺陷形成自由能进行精确的计算。 然而,形成能的大小和晶体结构、离子极化率等有关,对于具有氯化钠结构的碱金属卤化物,生 成一个间隙离子加上一个空位的缺陷形成能约需7~8eV。由此可见,在这类离子晶体中,既使温 度高达2000℃,间隙离子缺陷浓度小到难以测量的程度。但在具有萤石结构的晶体中,有一个比 较大的间隙位置,生成填隙离子所需要的能量比较低,如对于CaF2晶体,F离子生成弗伦克尔缺 陷的形成能为2.8eV,而生成肖特基缺陷的形成能是5.5eV,因此在这类晶体中,弗伦克尔缺陷是 主要的。一些化合物中缺陷的形成能如表2—3所示。
表2—2 缺陷浓度 (n/N) 100℃ 500℃ 800℃ 1000℃ 1200℃ 1500℃ 1800℃ 2000℃ 1eV 2×10 6×10-4 4×10-3 1×10-2 2×10-2 4×10-2 6×10-2 8×10-2 表2—3
-7

不同温度下的缺陷浓度表[ 2 eV 3×10 3×10-7 2×10-5 1×10-4 4×10-4 1×10-3 4×10-3 6×10-3
-14

n N

? exp(? ?Gf ) ] 2kT
6eV 3×10 3×10-20 8×10-15 1×10-12 5×10-11 3×10-9 5×10-8 2×10-7
-41

4eV 1×10 1×10-13 4×10-10 1×10-8 1×10-7 2×10-6 1×10-5 4×10-5
-27

8eV 1×10-54 8×10-37 2×10-19 1×10-16 2×10-13 4×10-12 2×10-10 1×10-9

化合物中缺陷的形成能(Δ Gf) 61

化合物 AgBr BeO MgO NaCl LiF CaO

反应

形成能 化合物 Δ Gf(eV) 1.1 ~6 ~6 2.2~2.4 2.4~2.7 ~6 UO2 CaF2

反应
? ? FF ? VF ? Fi?

形成能 Δ Gf(eV) 2.3~2.8
?? i

? Ag? ? Ag?i ? VAg Ag
?? 0 ? VBe ? V
?? O

Ca

? Ca

?? ? VCa ? Ca
? F

~7 ~5.5 3.0 ~9.5 ~6.4

?? 0 ? VMg ? V
? 0 ? VNa ? V

?? O

?? 0 ? VCa ? V
? O ? U

? Cl

?? O ? VO ? O?? i ?? U ? VU??? U ?? 0 ? VU??? 2V
???? i ?? O

? ? 0 ? VLi ? VF

?? 0 ? VCa ? V

?? O

2.1.4 点缺陷的化学平衡 在晶体中缺陷的产生与消失是一个动平衡的过程。缺陷的产生过程可以看成是一种化学反应 过程,可用化学反应平衡的质量作用定律来处理。 (1)弗伦克尔缺陷 弗伦克尔缺陷可以看作是正常格点离子和间隙位置反应生成间隙离子和空位的过程。

正常格点离子? 未被占据的间隙位置? 间隙离子? 空位
例如在AgBr,中,弗伦克尔缺陷的生成可写成:

? Ag? ? Vi? ? Ag?i ? VAg Ag
根据质量作用定律

(2—8)

KF ?

? [Ag?i ][VAg ] [Ag? ][Vi? ] Ag
? ?

(2—9)

式中KF为弗伦克尔缺陷反应平衡常数。 [Ag? ] 表示间隙银离子浓度。 i 在缺陷浓度很小时, [Vi ] ? [AgAg ] ? 1

? K F ? [Ag?i ][VAg ] ? ?[Ag?i ] ? [VAg ]

?[Ag?i ] ? K F

(2—10)

缺陷反应平衡常数与温度关系为, K F ? K 0 exp(??G f / kT)
?[Ag?i ] ? K 0 exp(??G f / 2kT)

(2 一 11)

(2)肖特基缺陷 肖特基缺陷和弗伦克尔缺陷之间的一个重要差别,在于肖特基缺陷的生成需要一个象晶界、 位错或表面之类的晶格上无序的区域,例如在MgO中,镁离子和氧离子必须离开各自的位置,迁 移到表面或晶界上,反应如下:
?? ?? Mg? ? O? ? VMg ? VO ? Mg? ? O? Mg O S S

(2—12)

上式 Mg? 和 O ? 表示它们位于表面或界面上。方程(2—12)左边表示离子都在正常位置上,是 S S 没有缺陷的。反应以后,变成表面离子和内部空位。在缺陷反应规则中表面位置在反应式内可以 不加表示,上式可写成:
?? ?? 0 ? VMg ? VO

0表示无缺陷状态。 肖特基缺陷平衡常数是
62

? ?? K S ? [VMg ][Vo? ]

(2—13)

因为 所以

?? [VMg ] ? [V ]
?? O
?? 2 [VO ] ? K S
1

K S ? K exp(??G f / kT)
所以
?? [VO ] ? K exp(??G f / 2kT)

(2—14)

上式中Δ Gf为肖特基缺陷形成自由能。K为常数,k为波尔兹曼常数。 2.1.5 固溶体 凡在固态条件下,一种组分(溶剂)内“溶解”了其它组分(溶质)而形成的单一、均匀的 晶态固体称为固溶体。 如果固溶体是由A物质溶解在B物质中形成的, 一般将原组分B称为溶剂 (或 称主晶相、基质) ,把掺杂原子或杂质称为溶质。在固溶体中不同组分的结构基元之间是以原子 尺度相互混合的,这种混合并不破坏溶剂原有的晶体结构。如以Al2O3晶体中溶入Cr2O3为例, A12O3为溶剂:Cr3+溶解在A12O3中以后,并不破坏Al2O3原有晶体结构。但少量Cr3+(约0.5wt %~2wt%)的溶入,Cr3+能产生受激辐射,使原来没有激光性能的白宝石(α —Al2O3)变为有激 光性能的红宝石。 固溶体可以在晶体生长过程中生成,也可以从溶液或熔体中析晶时形成,还可以通过烧结过 程由原子扩散而形成。 固溶体、机械混合物和化合物三者之间是有本质区别的。若单质晶体A、B形成固溶体,A和 B之间以原子尺度混合成为单相均匀晶态物质。机械混合物A、B是A和B以颗粒态混合,A和B分 别保持本身原有的结构和性能,A、B混合物不是均匀的单相而是两相或多相。若A和B形成化合 物AmBn,A:B—m:n有固定的比例。 固溶体中由于杂质原子占据正常格点的位置,破坏了基质晶体中质点排列的有序性,引起晶 体内周期性势场的畸变,这也是一种点缺陷范围的晶体结构缺陷。 固溶体在无机固体材料中所占比重很大,人们常常采用固溶原理来制造各种新型的无机材 料。例如PbTiO3和PbZrO3生成的锆钛酸铅压电陶瓷Pb(ZrxTi1-x)O3广泛应用于电子、无损检测、 医疗等技术领域。又如Si3N4与A12O3之间形成Sialon固溶体应用于高温结构材料等。 2.1.5.1 固溶体的分类 (1)按溶质原子在溶剂晶格中的位置划分 溶质原子进入晶体后,可以进入原来晶体中正常格点位置,生成取代(置换)型的固溶体,在 无机固体材料中所形成的固溶体绝大多数都属这种类型。在金属氧化物中,主要发生在金属离子 位置上的置换。例如:MgO—CoO;MgO—CaO;PbZrO3—PbTiO3;Al2O3—Cr2O3 等都属于此类。 MgO和CoO都是NaCl型结构,Mg2+半径是0.072nm。这两种晶体结构相同,离子半径接近, MgO中的Mg2+位置可以任意量地被Co2+取代,生成无限互溶的置换型固溶体,图2—3和2—4为 MgO—CoO相图及固溶体结构图。

63

图2—3

MgO—CoO系统相图

图2—4

MgO—CoO系统固溶体结构

杂质原子如果进入溶剂晶格中的间隙位置就生成 填隙型固溶体。在无机固体材料中,填隙原子一般处在 阴离子或阴离子团所形成的间隙中。 (2)按溶质原子在溶剂晶体中的溶解度分类 分为连续固溶体和有限固溶体两类。 连续固溶体是指溶 质和溶剂可以按任意比例相互固溶。因此,在连续固溶 体中溶剂和溶质都是相对的。 在二元系统中连续固溶体 的相平衡图是连续的曲线如图2—4是MgO—CoO的相 图。有限固溶体则表示溶质只能以一定的限量溶入溶 剂,超过这一限度即出现第二相。例如Mg0和CaO形成 有限固溶体如图2—5。在2000℃时,约有3wt%CaO溶 入MgO中。 超过这一限量, 便出现第二相—氧化钙固溶 体。从相图可以看出,溶质的溶解度和温度有关,温 度升高,溶解度增加。 2.1.5.2 置换型固溶体 在天然矿物方镁石 (MgO)中常常含有相当数量的NiO或FeO, 2+和Fe2+离子置换晶体中Mg2+ Ni 离子,生成连续固溶体。固溶体组成可以写成(Mg1-xNix)O,x=O~1。能生成连续固溶体的实 例还有:Al2O3—Cr2O3;ThO2—UO2;PbZrO3—PbTiO3等。除此以外,还有很多二元系统可以形 成有限置换型固溶体。例如MgO—A12O3;MgO—CaO;Zr02—CaO等等。 置换型固溶体既然有连续置换和有限置换之分,那么影响置换固溶体中溶质原子(离子)溶解 度的因素是什么呢?根据热力学参数分析,从自由能与组成关系,可以定量计算。但由于热力学 函数不易正确获得,目前严格定量计算仍是十分困难。然而实践经验的积累,已归纳了一些重要 的影响因素;现分述如下: (1)离子尺寸因素 在置换固溶体中,离子的大小对形成连续或有限置换型固溶体有直接的影响。从晶体稳定的 观点看,相互替代的离子尺寸愈相近,则固溶体愈稳定。若以r1和r2分别代表半径大和半径小的溶 剂或溶质离子的半径,经验证明一般规律如下:
图 2—5 MgO-CaO 系统有限固溶相图

r1 ? r2 <15% r1

(2—15)

当符合上式,溶质和溶剂之间有可能形成连续固溶体,若此值在15%~30%时,可以形成有限置 换 型 固 溶 体 , 而 此 值 大 于 30 % 时 , 不 能 形 成 固 溶 体 。 例 如 MgO—NiO 之 间 ,
64

rMg 2 ? =0.072nm, rNi 2? =0.070nm,计算(2—26)式得2.8%,因而它们可以形成连续固溶体。而
CaO—MgO之间,计算离子半径差别近于30%,它们不易生成固溶体(仅在高温下有少量固溶)。 在硅酸盐材料中多数离子晶体是金属氧化物,形成固溶体主要是阳离子之间取代,因此,阳离子 半径的大小直接影响了离子晶体中正负离子的结合能。从而,对固溶的程度和固溶体的稳定性产 生影响。 (2)晶体的结构类型 能否形成连续固溶体, 晶体结构类型是十分重要的。 在下列二元系统中, MgO—NiO; A12O3 —Cr2O3;Mg2SiO4—Fe2SiO4;ThO2—UO2等,都能形成连续固溶体,其主要原因之一是这些二元 系统中两个组分具有相同的晶体结构类型。又如PbZrO3—PbTiO3系统中,Zr4+与Ti4+半径分别为 0.072nm和0.061nm,(0.072—0.061)/0.072=15.28%>15%,但由于相变温度以上,任何锆钛比情 况下,立方晶系的结构是稳定的,虽然半径之差略大于15%,但它们之间仍能形成连续置换型固 溶体Pb(ZrxTil-x)O3。 又如Fe2O3和A12O3两者的半径差为18.4%,虽然它们都有刚玉型结构,但它们也只能形成有 限置换型固溶体。但是在复杂构造的柘榴子石Ca3Al2(SiO4)3和Ca3Fe2(SiO4)3中,它们的晶胞比刚 玉晶胞大八倍,对离子半径差的宽容性就提高,因而在柘榴子石中Fe3+和Al3+能连续置换。 (3)离子电价的影响 只有离子价相同或离子价总和相等复合掺杂时才能生成连续置换型固溶体。如前面已列举的 MgO—NiO;A12O3—Cr2O3?等都是单一离于电价相等相互取代以后形成连续固溶体。如果取代 离子价不同,则如果两种以上不同离子组合起来,满足电中性取代的条件也能生成连续固溶体。 典型的实例有天然矿物如钙长石Ca(A12Si2O8)和钠长石Na(AlSi3O8)所形成的固溶体,其中一个 A13+离子代替一个Si4+离子,同时有一个Ca2+离子取代—个Na+离子,即 Ca2+十Al3+=Na++Si4+,使 结构内总的电中性得到满足。又如PbZrO3和PbTiO3是ABO3,型钙钛矿结构,可以用众多离子价 相等而半径相差不大的离子去取代A位上的Pb或B位上的Zr、 Ti,从而制备一系列具有不同性能的 复合钙钛矿型压电陶瓷材料。 (4)电负性 离子电负性对固溶体及化合物的生成有很大的影响。电负性相近,有利于固溶体的生成,电 负性差别大,倾向于生成化合物。 达肯(Darkon)等曾将电负性和离子半径分别作坐标轴,取溶质与溶剂半径之差为士15%作 为椭圆的一个横轴,又取电负性差±0.4为椭圆的另一个轴,画一个椭圆。发现在这个椭圆之内的 系统,65%是具有很大的固溶度,而椭圆外的有85%系统固溶度小于5%。因此,电负性之差在 ±0.4之内也是衡量固溶度大小的一个条件。 2.1.5.3 置换型固溶体中的“补偿缺陷” 置换型固溶体可以有等价置换和不等价置换之分,在不等价置换的固溶体中,为了保持晶体 的电中性,必然会在晶体结构中产生“补偿缺陷” 。即在原来结构的结点位置产生空位,也可能 在原来填隙位置嵌入新的质点,还可能产生补偿的电子缺陷。这种补偿缺陷与热缺陷是不同的。 热缺陷的产生是由于晶格的热振动引起的。而“补偿缺陷”仅发生在不等价置换固溶体中,其缺陷 浓度取决于掺杂量(溶质数量)和固溶度。不等价离子化合物之间只能形成有限置换型固溶体,由 于它们的晶格类型及电价均不同,因此它们之间的固溶度一般仅百分之几。 现在以焰熔法制备尖晶石单晶为例。用MgO与Al2O3熔融拉制镁铝尖晶石单晶往往得不到纯 尖晶石,而生成“富铝尖晶石” ,此时尖晶石中MgO:A12O3<1:1,即“富铝” ,由于尖晶石与A12O3 形成固溶体时存在着2Al3+=3Mg2+,其缺陷反应式如下:
65

O ?? 4Al2 O3 ?MgAl?4 ? 2Al?Mg ? VMg ? 6Al? ? 12O? ? 2? Al O

(2—16)

为保持晶体电中性,结构中出现阳离子(镁离子)空位。如果把 Al2O3 的化学式改写为尖晶石形 式 , 则 应 为 Al8/3O4=A12/3A12O4 。 可 以 将 富 铝 尖 晶 石 固 溶 体 的 化 学 式 表 示 为 ?? [Mg 1? x (VMg ) 1 x Al 2 x ]Al 2 O 4 或写作 [Mg 1? x Al 2 x ]Al 2 O 4 。当 x=0 时,上式即为尖晶石 MgAl2O4;
3 3 3

若 x=l, Al2/3Al2O4 即为α —Al2O3。若 x=0.3, (Mg0.7Al0.2)Al2O4,这时结构中阳离子空位占全 部阳离子 0.1/3.0=1/30。即每 30 个阳离子位置中有一个是空位。类似这种固溶的情况还有 MgCl2 固溶到 LiCl 中,Fe2O3,固溶到 FeO 中及 CaCl2 固溶到 KCl 中等. 不等价置换固溶体中,还可以出现阴离子空位。例如,CaO加入到ZrO2中,其缺陷反应表示 为:
?? CaO ?ZrO2 ?Ca ?? ? VO ? O? ? ? Zr O

此外,不等价置换还可以形成阳离子或阴离子填隙的情况,现将不等价置换固溶体中,可能出现 的四种“补偿缺陷” ,归纳如下: 如:
高价置换低价

产生带有效正电荷的 杂质缺陷,补偿缺陷 带负电荷。

{

阳离子空位补偿 阴离子填隙补偿 自由电子补偿

?? Al2 O3 ?MgO ? 2Al?Mg ? VMg ? 3O? ? ? O Al2 O3 ?MgO ?2Al?Mg ? O?? ? 2O? ? ? i O

La2 O3 ? 2TiO2 ?BaTiO3 ? 2La?Ba ? 2e? ? 2Ti? ? 6O? ? 1 O2 ? ?? Ti O 2
低价置换高价

产生带有效负电荷的 杂质缺陷,补偿缺陷 带正电荷。

{

阴离子空位补偿 阳离子填隙补偿 空穴补偿

?? CaO ?ZrO2 ?Ca ?? ? VO ? O? ? ? Zr O

2CaO ?ZrO2 ?Ca ?? ? Ca ?i? ? 2O? ? ? Zr O NiO ? 1 Li2 O ? 2 O2 ??? 2Li?Ni ? 2h ? 2O? O

以空位补偿的固溶体一般也称空位型固溶体,同样填隙补偿的称填隙型固溶体。在具体的系 统中,究竟出现哪一种“补偿缺陷” ,与固溶体生成时的热力学条件即温度、气氛有关。例如CaO 溶入ZrO2在较低温度下(1600℃)形成氧空位补偿,在更高的温度下(1800℃)就可能出现 Ca i 构是例外。补偿缺陷的形式一般必须通过实验测定来确证。 利用不等价置换产生“补偿缺陷” ,其目的是为了制造不同材料的需要,由于产生空位或填 隙使晶格显着畸变,从而使晶格活化。材料制造工艺上常利用这个特点用来降低难熔氧化物的烧 结温度。如Al2O3外加1%~2%TiO2,使烧结温度降低近300℃。又如ZrO2材料中加入少量CaO作为 晶型转变稳定剂,使ZrO2晶型转化时体积效应减少,提高了ZrO2材料的热稳定性。 在半导体材料的制造中,则普遍利用不等价掺杂产生补偿电子缺陷,形成n型半导体(施主 掺杂)或p型半导体(受主掺杂) 。 2.1.5.4 填隙型固溶体 若杂质原子比较小,它们能进入晶格的间隙位置内,这样形成的固溶体称为填隙型固溶体。 形成填隙固溶体的条件如下: (1)溶质原子的半径小或溶剂晶格结构空隙大容易形成填隙型固溶体。 例如面心立方格子结构 的MgO,只有四面体空隙可以利用,而在TiO2晶格中还有八面体空隙可以利用;在CaF2型结构中 则有配位数为8的较大空隙存在;再如架状硅酸盐片沸石结构中的空隙就更大。所以在以上这几 类晶体中形成填隙型固溶体的次序必然是沸石>CaF2>TiO2> MgO。
66
??

补偿。阴离子进人间隙位置一般较少,因其半径大,形成填隙使晶体内能增大而不稳定。萤石结

(2)形成填隙型固溶体也必须保持结构中的电中性,一般可以通过形成空位或补偿电子缺陷, 及复合阳离子置换来达到。例如硅酸盐结构中嵌入Be2+、Li+等离子时,正电荷的增加往往被结构 中Al3+替代Si4+所平衡:Be2++2Al3+=2Si4+。 现举常见的填隙型固溶体实例: (1)原子填隙:金属晶体中,原子半径较小的H、C、B元素易进入晶格填隙位置中形成填 隙型固溶体。钢就是碳在铁中的填隙型固溶体。 (2)阳离子填隙:CaO加入ZrO2中,当CaO加入量小于0.15%时,在1800℃高温下发生下列 反应:

2CaO ?ZrO2 ?Ca ?? ? Ca ?i? ? 2O? ? ? Zr O
(3)阴离子填隙:将YF3加入到CaF2中,形成(Ca1-xYx)F2+x固溶体,其缺陷反应式为:
? YF3 ?CaF2 YCa ? Fi? ? 2FF ?? ? ?

这些不同种类的固溶体,实际上反映了物质结晶时,其晶体结构中原有离子或原子的配位位 置被介质中部分性质相似的它种离子或原子所占有,共同结晶成均匀的、呈单一相的晶体,但不 引起键性和晶体结构发生质变。 2.1.6 固溶体的研究方法 固溶体的生成可以用各种相分析手段和结构分析方法进行研究。因为,不论何种类型的固溶 体,都将引起结构上的某些变化及反映在性质上的相应变化(如密度和光学性能等) 。但是,最 本质的方法是用X射线结构分析测定晶胞参数,并辅以有关的物性测试。以此来测定固溶体及其 组分、鉴别固溶体的类型等。 在盐类的二元系统中,等价置换固溶体晶胞参数的变化服从维加(Vegard)定律,即固溶体的 晶胞参数a和外加溶质的浓度c成线性关系。但是,在不少无机非金属材料中,并不能很好地符合 维加定律。因此,固溶体类型主要通过测定晶胞参数并计算出固溶体的密度,和由实验精确测定 的密度数据对比来判断。 若D表示实验测定的密度值;D0表示计算的密度值,则

D0 ? ? g i / V
i ?1

n

(2—17)

式中gi表示单位晶胞内,第i种原子(离子)的质量(单位:克) 。

gi ?

(原子数目) (占有因子) (原子质量) i i i 阿佛加德罗常数

?g
i ?1

n

i

=g1+g2+g3+?+gi

式中V表示单位晶胞的体积(cm3)。 对于立方晶系,V=a3;六方晶系V=

3 ac等。现举例说明。 2

CaO外加到ZrO2中生成置换型固溶体。在1600℃,该固溶体具有萤石结构,属立方晶系。经 X射线分析测定,当溶入0.15分子CaO时,晶胞参数a=0.513nm,实验测定的密度值为D=5.477g /cm3。对于CaO—ZrO2固溶体,从满足电中性要求看,可以写出两个固溶方程:
ZrO ?? CaO ?? 2 ?Ca ?? ? VO ? O? ? Zr O

(2—18)
? O

2CaO ?? ?Ca ?? ? Ca ? 2O ? Zr
ZrO2 ?? i

(2—19)

究竟上两式哪一种正确,它们之间形成何种补偿缺陷,可从计算和实测固溶体密度的对比来
67

决定。 已知萤石结构中每个晶胞应有4个阳离子和8个阴离子。当o.15分子CaO溶人ZrO2中时,设形 成氧离子空位固溶体,则固溶式可表示为Zr0.85Ca0.15O1.85,按此式求DO。

?g
i ?1
?23

n

i

?

85 4?0.85?91.22 ? 4?0.15?40.08?8?1.2 ?16

6.02?10 23

= 75.18×10-23g V=a3=(0.513×10-7)3=135.1×10-24cm3
3 75. ?10 D0= 13518?10 ? 24 ? 5.564 g / cm .1

和实验值D=5.477g/cm3相比,仅差0.087g/cm3,是相当一致的。这说明在1600℃时,方程 (2—18)是合理的。化学式Zr0.85Ca0.15O1.85是正确的。图2—6(A)表示了按不同固溶体类型计算和 实测的结果。曲线表明:在1600℃时形成缺位固溶体。但当温度升高到1800℃急冷后所测得的密 度和计算值比较,发现该固溶体是阳离子填隙的形式,从图2—6(B)可以看出,两种不同类型的固 溶体,密度值有很大不同,用对比密度值的方法可以很准确地定出固溶体的类型。

2.1.7 非化学计量化合物
在普通化学中,定比定律认为,化合物中不同原子的数量要保持固定的比例。但在实际的化 合物, 有一些并不符合定比定律, 即分子中各元素的原子数比例并不是一个简单的固定比例关系。 这些化合物称为非化学计量化合物(Nonstoichiometric Compounds)。 形成非化学计量过程也是晶体 中产生点缺陷的重要机制之一。点缺陷伴随非化学计量现象而生成的情形分述如下。2.1.7.1 阴 离子空位型(如TiO2-x;ZrO2-x) 从化学计量观点看,在TiO2晶体中,Ti:O=l:2。但若处于低氧分压气氛中,晶体中的氧可以 逸出到大气中,这时晶体中出现氧空位,使金属离子与化学式比较显得过剩。从化学观点看,缺 氧的TiO2可以看作是四价钛和三价钛氧化物的固溶体,其缺陷反应如下:
?? 2Ti? ? 4O? ? 2Ti? ? VO ? 3O? ? 1 O2 ? Ti O Ti O 2

(2—20)

图2—6 (A) 1600℃的淬冷试样;

添加CaO的ZrO2固溶体的密度与CaO含量的关系

(B) 1800℃的淬冷试样(在1600℃时,每添加一个Ca2+就引入一个氧空位;在1800℃时,缺陷的类型随着组
成而发生明显的变化)

式中 Ti? 是三价钛位于四价钛的位置上,这种离子变价现象总是和电子缺陷相联系的。Ti4+获得 Ti
68

电子而变成了Ti3+。此电子并不是固定在一个特定的钛离子上,它很容易从一个位置迁移到另一 个位置。更确切地说,可把这个电子看作是在氧离子空位的周围,束缚了过剩电子,以保持电中 性。氧空位上束缚了二个自由电子,这种电子如果与附近的Ti4+离子相联系,Ti4+就变成了Ti3+。 这些电子并不属于某一个具体固定的Ti4+离子,在电场作用下,它可以从这个Ti4+离子迁移到邻近 的另一个Ti4+上,而形成电子导电,所以具有这种缺陷的材料,是一种n型半导体。 自由电子陷落在阴离子空位中而形成的一种缺陷又称为F—色心。它是由一个负离子空位和 一个在此位置上的电子组成的,由于陷落电子能吸收一定波长的光,因而使晶体着色而得名。例 如TiO2在还原气氛下由黄色变为灰黑色,NaCl在Na蒸气中加热,呈黄棕色等。 (2—20)反应式又能简化为下列形式: 式中
?? O? ? VO ? 1 O2 ? ?2e? O 2

(2—21)

e? ? Ti? 。根据质量作用定律,平衡时: Ti
K?
? [VO? ][PO 2 ] 2 [e?] 2
1

[O ? ] O

(2—22)

?? 由晶体电中性条件: 2[VO ] ? [e?] ,当缺陷浓度很小时,[ O ? ]≈2(注意:是摩尔分数浓度) ,代 O

入上式得:
? [VO? ] ? [PO 26 ] ?1

(2—23)

这说明氧空位的浓度和氧分压的1/6次方成反比。 所以TiO2材料如金红石质电容器在烧结时对氧分 压是十分敏感的,如在强氧化气氛中烧结,获得金黄色介质材料。如氧分压不足,氧空位浓度增 大,烧结得到灰黑色的n型半导体。 2.1.7.2 阳离子填隙型 Znl+xO和Cd1+xO属于这种类型。过剩的金属离子进入间隙位置,它是带正电的,为了保持电 中性,等电荷量的电子被束缚在填隙阳离子周围,这也是一种色心,如ZnO在锌蒸气中加热,颜 色会逐渐加深,缺陷反应式如下: 1 ZnO ? Zn ?i? ? 2e? ? 2 O 2 ? (2—24) (2—25)

ZnO ? Zn?i ? e? ? 1 O2 ? 2
式是可行的。 2.1.7.3 阴离子填隙型

以上两个缺陷反应都是正确的。但实验证明,氧化锌在蒸气中加热时,单电离填隙锌的反应

具有这种缺陷结构的目前只发现UO2+x。 它可以看作是U308在U02中的固溶体。 为保持电中性, 结构中引入空穴,相应的阳离子升价。空穴也不局限于特定的阳离子,它在电场作用下会运动。 因此这种材料为p型半导体。对于UO2+x中缺陷反应可以表示为:
1 2

O2 ? O?? ? 2h ? i
1

(2—26)

由上式可得:
6 [O ??] ? PO 2 i

(2—27)

随着氧分压的提高,填隙氧浓度增大。 2.1.7.4. 阳离子空位型 如Cu2-xO和Fe1-xO属于这种类型。晶体中的阳离子空位周围捕获电子空穴。因此,它也是p型半 导体。Fe1-xO也可以看作是Fe2O3在FeO中的固溶体,为了保持电中性,二个Fe2+被二个Fe3+和—个 空位所代替,可写成固溶式为(Fel-x Fe 2x / 3 )O。其缺陷反应如下:
69

1 ?? 2Fe? ? 2 O 2 (g) ? 2Fe?Fe ? O? ? VFe Fe O

或者

1 2

?? O2 (g) ? 2h ? ? O? ? VFe O

(2—28)

?? 从方程(2—28)可见,铁离子空位带负电,两个电子空穴被吸引到 VFe 周围,形成一种V—
色心。根据质量作用定律可得:

K?
6 ? [h ? ] ? PO 2 1

?? [O ? ][VFe ][h ? ] 2 O
1 2 PO 2

(2—29)

随着氧分压增加,空穴浓度增大,电导率也相应升高。 综上所述,非化学计量化合物的产生及其缺陷的浓度与气氛的性质及气氛分压的大小有密切 的关系。这是它与其它缺陷不同点之一。非化学计量化合物与前述的不等价置换固溶体中所产生 的“补偿缺陷”很类似。实际上,正是由于这种“补偿缺陷”才使化学计量的化合物变成了非化学 计量,只是这种不等价置换是发生在同一种离子中的高价态与低价态之间的相互置换,而一般不 等价置换固溶体则在不同离子之间进行。因此非化学计量化合物可以看成是变价元素中的高价态 与低价态氧化物之间由于环境中氧分压的变化而形成的固溶体。它是不等价置换固溶体中的一个 特例。

2.2

线缺陷
晶体中的线缺陷是各种类型的位错。 其特点是原子发生错排的范围, 在一个方向上尺寸较大,

而另外两个方向上尺寸较小,是一个直径约在3~5个原子间距、长几百到几万个原子间距的管状 原子畸变区。虽然位错种类很多,但最简单、最基本的类型有两种:一种是刃型位错,另一种是 螺型位错。位错是一种极为重要的晶体缺陷,对材料强度、塑变、扩散、相变等影响显着。 2.2.1 位错的基本概念 2.2.1.1 位错学说的产生 人们很早就知道金属可以塑性变形,但对其机理不清楚。本世纪初到30年代,许多学者对晶 体塑变做了不少实验工作。1926年弗兰克尔利用理想晶体的模型,假定滑移时滑移面两侧晶体象 刚体一样,所有原子同步平移,并估算了理论切变强度τ
m=

G/2 ? (G为切变模量),与实验结果相
m值也为G/30,仍与实

比相差3~4个数量级,即使采用更完善一些的原子间作用力模型估算,τ

测临界切应力相差很大。这一矛盾在很长一段时间难以解释。1934年泰勒(G.I.Taylor),波朗依 (M.Polanyi)和奥罗万(E.Orowan)三人几乎同时提出晶体中位错的概念。泰勒把位错与晶体塑变的 滑移联系起来,认为位错在切应力作用下发生运动,依靠位错的逐步传递完成了滑移过程,如图 2—7。与刚性滑移不同,位错的移动只需邻近原子作很小距离的弹性偏移就能实现,而晶体其他 区域的原子仍处在正常位置,因此滑移所需的临界切应力大为减小。在这之后,人们对位错进行 了大量研究工作。1939年柏格斯(Burgers)提出用柏氏矢量来表征位错的特性的重要意义,同时引 入螺型位错。1947年柯垂耳(A.H.Cottrell)利用溶质原子与位错的交互作用解释了低碳钢的屈服 现象。1950年弗兰克(Frank)与瑞德(Read)同时提出了位错增殖机制F—R位错源。50年代后,透射 电镜直接观测到了晶体中位错的存在、运动和增殖。这一系列的研究促进了位错理论的形成和发 展。

70

图2—7

刃位错的滑移

2.2.1.2 位错的基本类型 刃型位错如图2—8所示。设有一简单立方结构的晶体,在某一水平面(ABCD)以上多出了垂 直方向的原子面EFGH,它中断于ABCD面上EF处,犹如插入的刀刃一样,EF称为刃型位错线。 位错线附近区域发生了原子错排,因此称为“刃型位错”。由图2—8(b)可看出位错线的上部邻近范 围受到压应力,而其下部邻近范围受到拉应力,离位错线较远处原子排列正常。通常称晶体上半 部多出原子面的位错为正刃型位错,用符号“⊥”表示,反之为负刃型位错,用“ㄒ”表示。 螺 型位错如图2—9所示。设想在简单立方晶体右端施加一切应力,使右端滑移面上下两部分晶体发 生一个原子间距的相对切变, 于是 在已滑移区与未滑移区的交界处, BC线与aa′线之间上下两层相邻 原子发生了错排和不对齐现象, 如 图2—9(a)。 顺时针依次连结紊乱区 原子, 就会画出一螺旋路径,如图 2—9(b),该路径所包围的呈长的 管状原子排列的紊乱区就是螺型
图2—8 含有刃型位错的晶体 (a)立体模型;(b)主视图

位错。以 大拇指代表螺旋面前进方向,其他 四指代表螺旋面的旋转方向,符合

右手法则的称右旋螺型位错,符合左手法则称左旋螺型位错。图2—9为右旋螺型位错,图2—11 为左旋螺位错。 2.2.1.3 柏氏矢量(Burgers vector)

图2—9

螺型位错示意图

(a)立体图;(b)俯视图

71

(1) 柏氏矢量的确定方法

图2—10 刃型位错柏氏矢量的确定 (a)有位错的晶体;(b)完整晶体

先确定位错线的方向(一般规定位错线垂直纸面时,由纸面向外为正向),按右手法则做柏氏 回路,右手大拇指指位错线正向,回路方向按右手螺旋方向确定。从实际晶体中任一原子M出发, 避开位错附近的严重畸变区作一闭合回路MNOPQ,回路每一步连接相邻原子。按同样方法在完 整晶体中做同样回路,步数、方向与上述回路一致,这时终点Q和起点M不重合,由终点Q到起点 M引一矢量QM即为柏氏矢量b。柏氏矢量与起点的选择无关,也于路径无关,图2—10、图2—11 示出刃位错与螺位错柏氏矢量的确定方法及过程。 (2)柏氏矢量的物理意义及特征 柏氏矢量是描述位错实质的重要物理量。反映出柏氏回路包含的位错所引起点阵畸变的总积 累。通常将柏氏矢量称为位错强度,位错的许多性质如位错的能量,所受的力,应力场,位错反 应等均与其有关。它也表示出晶体滑移的大小和方向。 柏氏矢量具有守恒性,柏氏回路任意扩大和移动中,只要不与原位错线或其他位错线相遇, 回路的畸变总垒积不变,由此可引伸出一个结论:一根不分叉的任何形状的位错只有一个柏氏矢 量。 利用柏氏矢量b与位错线t的关系,可判定位错类型。若西b∥ t,则为螺型位错,其中同向为

图2—11

螺型位错柏氏矢量的确定

(a)有位错的晶体;(b)完整晶体

右螺,反向为左螺,如图2—9,图2—11。若b⊥t为刃型位错,其正负用右手法则判定,右手拇指、 食指与中指构成一直角坐标系,以食指指向t方向,中指指b正方向,则拇指代表多余半原子面方 向,多余半原子面在上称正刃型位错,反之为负刃型位错。
72

总之柏氏矢量是其他缺陷所没有,位错所独有的性质。 (3)混合位错 混合位错如图2—12所示, 有一弯曲位错线AC(已滑移区与未滑移区的交界), A点处位错线与 b平行为螺型位错,C点处位错与b垂直为刃型位错。其他部分位错线与b既不平行,也不垂直属混 合位错,如图2—12(b),混合位错可分解为螺型分量bs与刃型分量be,bs=bcosφ ,be=bsinφ 。

图2—12

混合位错

(a)立体图;(b)俯视图

2.2.1.4位错密度 晶体中位错的量通常用位错密度来表示 ρ =S/V(cm/cm3) (2—31)

式中V是晶体的体积,S是该晶体中位错线总长度。有时为简便,把位错线当成直线,而且是 平行地从晶体的一面到另一面,这样(2—31)式变为

??

n?L L?A

?

n A

(1/cm2)

(2—32)

式中L为每根位错线长度,近似为晶体厚度,n为面积A中见到的位错数目。位错密度可用透 射电镜、金相等方法测定。一般退火金属中位错密度为105—106/cm2,剧烈冷变形金属中位错密 度可增至1010~1012/cm2。

2.2.2位错的运动
晶体中的位错总是力图从高能位置转移到低能位置,在适当条件下(包括外力作用),位错会发 生运动。位错运动有滑移与攀移两种形式。 2.2.2.1位错的滑移 位错沿着滑移面的移动称为滑移。位错在滑移面上滑动引起滑移面上下的晶体发生相对运 动,而晶体本身不发生体积变化称为保守运动。 刃位错的滑移如图2—13所示,对含刃位错的晶体加切应力,切应力方向平行于柏氏矢量, 位错周围原子只要移动很小距离,就使位错由位置“1”移动到位置“2” ,如图2—13(a)。当位错 运动到晶体表面,整个上半部晶体相对下半部移动了一个柏氏矢量,晶体表面产生高度为b的台 阶,如图2—13(b)。刃位错的柏氏矢量b与位错线t互相垂直,故滑移面为b与t决定的平面,它是 唯一确定的。由图2—13,刃位错移动的方向与b方向一致,和位错线垂直。
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图2—13

刃型位错的滑移

螺位错沿滑移面运动时,周围原子动作情况如图2—14。虚线所示螺旋线为其原始位置,在 切应力τ 作用下,当原子做很小距离的移动时,螺 位错本身向左移动了一个原子间距,到图中实线螺 旋线位置,滑移台阶(阴影部分)亦向左扩大了一个 原子间距。螺位错不断运动,滑移台阶不断向左扩 大,当位错运动到晶体表面,晶体的上下两部分相 对滑移了一个柏氏矢量,其滑移结果与刃位错完全 一样。所不同的是螺位错的移动方向与b垂直。 此外 因螺位错b与t平行, 故通过位错线并包含b的所有晶 面都可能成为它的滑移面。当螺位错在原滑移面运 动受阻时, 可转移到与之相交的另一个滑移面上去, 这样的过程叫交叉滑移,简称交滑移。 混合型位错沿滑移面移动的情况, 如图2—15。沿柏氏矢量b方向作 用一切应力τ ,位错环将不断扩 张,最终跑出晶体,使晶体沿滑 移面相对滑移了b,如图2—15 (b) 。 由此例看出,不论位错如何 移动,晶体的滑移总是沿柏氏矢 量相对滑移,所以晶体滑移方向 就是位错的柏氏矢量方向。 实际晶体中,位错的滑移要
图2—15 位错环的滑移 图2—14 螺位错的滑移

遇到多种阻力,其中最基本的固有阻力是晶格阻力——派纳力。当柏氏矢量为b的位错在晶体中 移动时,将由某一个对称位置(图2—13(a)中1位置)移动到图中2位置。在这些位置,位错处在 平衡状态,能量较低。而在对称位置之间,能量增高,造成位错移动的阻力。因此位错移动时, 需要一个力克服晶格阻力,越过势垒,此力称派—纳力(Peierls—Nabarro),可表示如下

?p ?

2G 1??

e

b (1? ? )

?2 ?a

(2—33)

其中G为切变模, 为泊桑比, ν a为晶面间距, b为滑移方向上原子间距。 由公式(2—33)可知a最大, b最小时τ p最小,故滑移面应是晶面间距最大的最密排面,滑移方向应是原子最密排方向,此方 向b一定最小。除点阵阻力外,晶体中各种缺陷如点缺陷、其他位错、晶界和第二相粒子等对位 错运动均会产生阻力,使金属抵抗塑性变形能力增强。
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2.2.2.2位错的攀移 刃型位错除可以在滑移面上滑移外,还可在垂直滑移面的方向上运动即发生攀移。攀移的实质 是多余半原子面的伸长或缩短。通常把多余半原子面向上移动称正攀移,向下移动称负攀移,如 图2—16。当空位扩散到位错的刃部,使多余半原子面缩短叫正攀移,如图2—16(a)。当刃部的空 位离开多余半原子面,相当于原子扩散到位错的刃部,使多余半原子面伸长,位错向下攀移称为 负攀移,如图2—16(c)。

图2—16

刃型位错的攀移

(a)正攀移;(b)原始位置;(c)负攀移

攀移与滑移不同,攀移时伴随物质的迁移,需要空位的扩散,需要热激话,比滑移需更大能 量。低温攀移较困难,高温时易攀移。攀移通常会引起 体积的变化,故属非保守运动。此外作用于攀移面的正 应力有助于位错的攀移,由图2—16(a)可见压应力将促 进正攀移,拉应力可促进负攀移。晶体中过饱和空位也 有利于攀移。攀移过程中,不可能整列原子同时附着或 离开,所以位错(即多余半原子面边缘)要出现割阶,如 图2—17。割阶是原子附着或脱离多余半原子面最可能 的地方。刃型位错通过割阶沿图中箭头方向运动实现攀
图 2—17 位错、割阶的运动

移,如图2—17。

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