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晶體的缺陷
作者:jzkegd  來源:本站  發表時間:2017-11-16 14:41:18  點擊:540

晶體的缺陷

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晶體(crystal)即是物質的質點(分子、原子、離子)在三維空間作有規律的周期性重復排列所形成的物質。從宏觀上看,晶體都有自己獨特的、呈對稱性的形狀晶體在不同的方向上有不同的物理性質,如機械強度、導熱性、熱膨脹、導電性等,稱為各向異性。晶體有固定的熔化溫度—熔點(或凝固點)。晶體的分布非常廣泛,自然界的固體物質中,絕大多數是晶體。氣體、液體和非晶物質在一定的合適條件下也可以轉變成晶體。

在理想完整的晶體中,原子按一定的次序嚴格地處在空間有規則的、周期性的格點上。但在實際的晶體中,由于晶體形成條件、原子的熱運動及其它條件的影響,原子的排列不可能那樣完整和規則,往往存在偏離了理想晶體結構的區域。這些與完整周期性點陣結構的偏離就是晶體中的缺陷,它破壞了晶體的對稱性。

晶體結構中質點排列的某種不規則性或不完善性,又稱晶格缺陷。表現為晶體結構中局部范圍內,質點的排布偏離周期性重復的空間格子規律而出現錯亂的現象。

晶體缺陷按其在晶體結構中分布的幾何特點可分為點缺陷、線缺陷、面缺陷、體缺陷四種類型。

 

一、點缺陷

點缺陷是發生在一個或若干個質點范圍內所形成的晶格缺陷。最常見的點缺陷表現形式有下列幾種。

(1) 空位   

晶格中應有質點占據的位置因缺失質點而造成空位。如圖所示的A和A1位置,表示的是單個質點和雙質點的缺失形成的空位。

(2) 填隙

在晶體結構中正常排列的質點之間,存在多余的質點充填晶格空隙的現象,如圖B。這種填隙質點即可以是晶體的自身固有成分中的質點,也可為其他雜質成分的質點。

(3) 

雜質成分的質點代替了晶體本身固有成分的質點,并占據了被替代質點的晶格位置,如圖C。由于替位與被替位質點的半徑、電價等方面的存在差異,因而可造成不同形式、程度不等的晶格畸變。

 

A、 A1 空位;B間隙質點;C雜質質點。

(4) 色心  

色心是離子晶體中一種吸收光的點缺陷。晶體中的色心,一般說來對晶體性能是有害的,但近年來,利用色心的特殊效應研究色心激光器進展很快,色心激光器是一種新型的紅外可調諧固體激光器,在近紅外區域高分辨分子光譜,光化反應,污染檢測等方面有著重要的用途。

二、線缺陷

線缺陷是指:在晶體內部結構中某條線(行列)方向上的周圍局部范圍內產生的晶格缺陷。它的表現形式主要是位錯,通常以位錯密度來衡量晶體的完整性。

位錯是指在晶體中的某些區域內,一列或數列質點發生有規律的錯亂排列現象。它可以視為應力作用下晶格中的一部分沿一定的面網相對于另一部分的局部滑動而造成的結果。滑動面的終止線,即滑動部分和未滑動部分的分界線秤位錯線。位錯有種基本類型:位錯線與滑移方向垂直,稱刃位錯,也稱棱位錯;位錯線與滑移方向平行,則稱螺旋位錯;位錯線既不平行也不垂直于滑移方向的線位錯,稱為混合位錯。

 

完成晶體A、   刃位錯B、   螺旋位錯C

 

刃位錯             螺旋位錯

 

  三、面缺陷

面缺陷是指沿晶格內或晶粒間某些面的兩側局部范圍內所出現的晶格缺陷。面缺陷主要是同種晶體內的晶界、小角晶界、層錯以及異種晶體間的相界等。下面簡單描述一下面缺陷的特征。

(1) 平移界面

晶格中的一部分沿著某一面網相對于另一部分滑動(平移)。以滑移面為界,晶體的格子構造規律被破壞。

 

 

平移界面圖:A滑移面

2)層錯

任何一個晶體,從形式上看都可以認為是由一層層的原子按一定的次序堆積而成。在正常的堆積次序中發生的錯亂叫做堆積層錯,簡稱層錯。有兩種基本的形式,抽出型層錯和插入型層錯。

 

A- 完整晶體;B-抽出型層錯;C插入型層錯。

 

3)晶界

   指同種晶體內部結晶方位不同的兩晶格的界面(結構相同而取向不同晶粒之間的界面)。按結晶方位差異的大小,可分為小角晶界和大角晶界,小角晶界指的是兩晶格間結晶方位之差小于10°的界面,大角晶界指的是兩晶格間結晶方位之差大于10°的界面。最簡單的小角晶界是對稱的傾斜位錯所組成。

 

小角晶界

小角晶界形成的原因是,晶體中的位錯在晶體冷卻或退火過程中獲得了能量而發生移動。

 

  四、體缺陷

體缺陷即三維缺陷,包括包裹體和晶體的開裂。

(1) 包裹體

包裹體是晶體在生長過程中所捕獲的,并包裹在晶體內的外來物質。它是晶體生長中最常見的缺陷之一,對晶體質量影響也比較大。常見的包裹體有溶劑包裹體和作為坩堝、發熱體及保溫裝置的鎢、鉬、鉑、銥等材料的包裹體。這些物質的大小、形態不一,一般以固態、液態和氣態等形式存在。

(2) 晶體的開裂

在晶體生長過程中或晶體退火、加工過程中,開裂現象是經常遇到的,晶體的開裂是由于晶體內部熱應力產生的應變超出了范性形變范圍,而局部超出了屈服點,晶體往往沿解理面開裂。

熱應力是最普遍存在的應力,當熱應力的大小尚在晶體的范性形變范圍,只會產生位錯;這些位錯有時排成一列而形成小角晶界;如果晶體范性形變范圍很小或無范性形變,則超出屈服應力時就導致脆性開裂。生長速率太快以及過大的溫度梯度是造成晶體開裂的主要原因。

晶體中缺陷的種類、數量是鑒別晶體質量優劣的重要標志。晶體的缺陷通常能夠吸收、反射或散射晶體內部產生的或是由外部輸入的磁、光、聲、和電能量,從而影響晶體的性能。缺陷的性質、分布狀態以及缺陷之間的相互作用,造成了晶體宏觀性能差別。了解各種晶體缺陷的概貌及其成因,對控制晶體的完整性,生長高質量單晶體有直接的幫助。

 

上條新聞:晶體生長理論

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