ZnWO4Eu3+晶体生长、位错与光谱特性

ZnWO 4:Eu 3+晶体生长、位错与光谱特性

臧竞存1 祁阳1 邹玉林1 吴敬朋1 张伟2

1北京工业大学材料科学与工程学院，北京(100022) 2北京工业大学生命科学与生物工程学院，北京(100022)

E-mail ：zangjc@https://www.wendangku.net/doc/0e12192200.html,

摘 要：采用Czochralski 法生长出光学质量的ZnWO 4: Eu 3+

单晶。采用化学浸蚀法进行位错实验，并在偏光显微镜下观察了位错蚀坑, 测定了(010)面晶体位错密度为52个/mm 2

。测试了其激发光谱和发射光谱，分析了掺杂Eu 3+

的ZnWO 4的发光特性。激发谱为三个峰带，分别为339nm、396nm 和467nm；发射光谱为线谱，其中峰值为613nm 荧光峰最强，相应于5

D 0→

7

F 2的电偶极跃迁。

关键词：ZnWO 4: Eu 3+

单晶；化学浸蚀；位错；光谱特性 中图分类号：O7，O433.4

1. 引 言

钨酸盐闪烁晶体由于发光效率高、密度大、抗辐照损伤能力强、无潮解性等优点[1~3]，一直受到重视。不同用途的闪烁体有着不同的要求，在新型闪烁材料的探索方面，也在提出新的目标[4]。钨酸锌是一种优良得闪烁晶体，掺杂钨酸锌晶体的研究已经深入[5~7]，应用也很广泛。但对于掺杂Eu 3+离子的钨酸锌却没有研究报道，本文将对掺杂Eu 3+的ZnWO 4晶体的生长、位错和发光性能进行实验分析。

2. 晶体生长

采用Czochralski 法生长ZnWO 4: Eu 3+单晶。将光谱纯ZnO, WO 3和Eu 2O 3粉料按下式配料：(132)4x x Zn Eu WO ?，x=0.1mol%，将物料混匀后置于铂坩埚内。硅碳棒加热，在大气气氛中生长。典型工艺为: 温度梯度30o

C/cm, 提拉速度3-4mm/h，籽晶转速32 r/ min。单晶炉控温设备为DTW2702，精度为±0.2 o

C。选择低位错×密度的纯ZnWO 4 作籽晶，沿[ 010 ] 方向进行提拉生长。图1是尺寸为Φ25mm×30mm 的ZnWO 4:

Eu 3+单晶照片。生长的晶体在Al 2O 3粉中1100 o

C 保温3h 后随炉自然冷却，以消除氧空位形成的色心和晶体中的热应力，然后定向切割、研磨、抛光成a×b×c=20mm×8mm×10mm 作为测试样品。

3. 晶体位错

为观察晶体中位错分布,采用浸蚀法进行实验，将退火后的晶体沿解理面(010) 切成薄片，放入用6gNaOH 加50ml 蒸馏水配制的NaOH 溶液中煮沸约4-5min。腐蚀后的晶片用热清水洗净、吹干，在偏光显微镜下观察。蚀坑形状为斜棱锥形，扩肩部分的位错密度高于等径部位。

通过对位错蚀坑的观察，我们可以区分不同的位错类型，因为位错蚀坑的形状反映了位错的形状；我们也可以通过测量蚀坑的数目来确定位错密度。

位错蚀坑是晶体中位错露头

的显示，测量位错蚀坑的数目，即可以确定位错的数目。单位面积上位错露头的数目用来表示晶体中的位错密度，可以测出视域内位错露头的数目和该视域的面积，利用公式

ρ=

位错露头的数目

视域面积

来计算位错密度ρ。图2为浓度0.1mol％Z nWO 4:Eu 3+晶体(010)面的位错蚀坑形貌像，位错

密度约52/mm 2。

3 光谱特性

3.1 激发光谱

所用实验仪器为F－4500荧光光谱仪，接受信号与入射光成90O

。在进行光谱测试前须进行晶体切割加工、研磨和抛光。以b 轴方向作为通光方向，L b ＝8mm 。图3为室温下以

613nm

4位于300nm 到325nm 处的较强的宽带，是ZnWO 4基质对紫外光吸收，能力较强，基质吸收光能量后可有效地传递给Eu 3+离子，使Eu 3+离子能高效发光，基质ZnWO 4不仅起到骨架的作用，而

且对发光有很大贡献。在325nm－500nm

波长范围，观察到三个激发光谱带，激发中心波长分别为：339，396和

467nm，其中339和467强度较大。它们都反映了Eu 3+离子从f－f 的

300

325

350

375400

425450

475500

0.0

2.55.07.510.012.515.0

17.5

20.0338.11

365.27

386.67

396.11

419.26

467.49

I n t e n s i t y /a .u .

Wavelength/nm

跃迁。表1中列出了ZnWO 4:Eu 3+晶体中Eu 3+离子的激发光谱及跃迁归属。

1表1 ZnWO 4:Eu 3+晶体中Eu 3+离子的激发光谱及跃迁归属

Table 1 Excitation wavelength and transition attaching of Eu 3+ ions of ZnWO 4:Eu 3+ crystal

波长/nm

相对强度

跃迁能级

波长/nm

相对强度

跃迁能级

338.11 17.76

396.11 11.83 7

F 0→5L 6 365.27 2.90 7

F 0→5D 4 419.26 3.17 7F 0→5D 3 386.67 5.49 7F 0→5

G 2

467.49 14.64 7F 0→5D 2

3.2荧光光谱

采用F－4500荧光光谱仪，接受信号与入射光成90O

，所有测试在室温下进行。分别以339nm，396nm 和467nm 为激发源，沿晶体b 方向进行激发。图4为以339nm 为激发光的荧光光谱图，图5为以396nm 为激发光的荧光光谱和以467nm 为激发光的荧光光谱图。图4中发射光谱，由一宽谱带和一弱尖峰组成，宽谱带是基质ZnWO 4在紫外激发下的荧光光谱特征，而波长为613nm 的尖峰反映了Eu 3+离子的5D 0－7F 2跃迁的结果。

不同波长光激发，测得发射光谱的谱峰的形状和位置基本一致，都是Eu 3+离子的5D 0能 级向较低的7F J 能级跃迁(J=0，1，2，3，4)的结果。从发射光谱可见在581.60nm 处有一条极弱的5D 0→7F 0谱线，在593.60nm 有一条5D 0→7F 1谱线，在613.00nm 处有一条较强发射5D 0

→

F 2谱线，及624.80nm 处发射弱的D 0→F 3

04其中以5D 0→7F 2在613nm 的跃迁发射为主。467nm 激发产生的荧光强度事396nm 波长光激发强度的近4倍，这是因为467nm 是ZnWO4本征发光带，恰好与7

F 0→5

D 2跃迁重叠，因而极大地增加了ZnWO 4:Eu 3+

晶体的红光发光效率。图6是ZnWO 4:Eu 3+

的能级及其跃迁示意图。

根据Eu 3+离子电子跃迁的一般规则，

当Eu 3+离子处于有严格反演中心的格位时，将以5D 0→7F 1允许的磁偶极跃迁发射橙光以约为590nm 发射为主；当Eu 3+离子处于偏离反演中心的格位时，在4f 6

组态中混入相反宇称的5d 和5g 组态及晶体场的不均匀性，使晶体中的宇称选择定则放宽，f－f 禁戒跃迁被部分解禁，将出现5

D 0→7

F 2电偶极跃迁；当Eu 3+离子处于无

反演对称中心的格位时常以5D 0→7F 2的电偶极跃迁约为613nm 发射为主。且5D 0→7F 2和5D 0

350

400

450

500

550

600650

050100

150200250

300350464.58

613.00

I n t e n s i t y /a .u .

W avelength/nm

500550600650700

50

100

150

200

705.60

624.80

538.80

581.60

593.60

613.00

I n t e n s i t y /a .u .

Wavelength/nm

ex=467nm

ex=396nm

1

操作的对称性，说明掺杂的Eu3+离子主要处于非对称中心格位环境中，故呈现5D0→7F2电偶

极子跃迁特征线发射。

4 结 论

1 采用Czochralski法生长出掺杂浓为0.1mol%的光学质量ZnWO4:Eu3+单晶。

2 采用化学浸蚀法进行位错实验，并在偏光显微镜下观察了位错蚀坑分布及形貌, 测定了(010)面晶体位错密度约为52个/mm2。

3 测得监测波长为掺613nm时，ZnWO4：Eu3+单晶的激发光谱，共有条谱带，分别为365，386，396和467nm，分别对应与Eu3+的基态7F0→向激发态5D4, 5G2，5L6，5D3和5D2的跃迁。

4 ZnWO4: Eu3+在339nm激发下产生宽谱带和尖峰，反映了ZnWO4的本征发光和能量传输；在396nm和467nm激发下的发射光谱测试产生Eu3+特征的5条谱线，分别属于581nm（5D0

→7F0），593.6nm（5D0→7F1），613nm（5D0→7F2），624.8nm（5D0→7F3），705.6nm（5D0→7F

）。

4

参考文献

[1] 汪泓,周亚栋,陈纲,等. 钨酸锌晶体的品质分析及其缺陷研究[J].人工晶体学报,1989,18(1):311-317

[2] V.B. Mikhailik, H.Kraus, G. Miller, et al. Luminescence of CaWO4, CaMoO4, and ZnWO4 scintillating crystals

under different excitations[J]. Journal of applied physics, 2005, 97:083523-1-8.

[3] V.Nagirnyi, E.Feldbach, L.Jonsson, et al. Energy transfer in ZnWO4 and CdWO4 Scintillators[J]. Nuclear

Instruments and Methods in Physics Research A. 2002, 486:395-398.

[4] 臧竞存, 刘燕行. 闪烁发光与闪烁晶体研究动态[J].人工晶体学报.2004,33(2):266-271

[5] Qi, T. Takagi, K., Fukazawa,T. Scintillation study of ZnWO4 single crystals[J]. Appl.Phys.Lett. 1980, 36:

278-279.

[6] 臧竞存.掺杂钨酸锌晶体的生长、性能及应用[J].北京工业大学学报. 1998,24(3):110-114

[7] A.Kotlov, L.Jonsson, M.Kirm, et al. Luminescence study of self-trapped holes in pure and Fe-or Mo-doped

ZnWO4 crystals[J]. Radiation Measurements. 2004, 38:715-718.

Z nWO4: Eu3+ Crystal Growth,Dislocation and Spectroscopic

Character

Zang Jingcun1, Qi Yang1, Zou Yulin1, Wu Jianpeng1, Zhang Wei2

1College of Materials Science and Engineering, Beijing University of Technology, Beijing100022 2College of Life Science and Bioengineering, Beijing University of Technology, Beijing100022

Abstract

The ZnWO4: Eu3+ single crystal with optical quality have been grown by the Czochralski technique. Chemical etching method was used to reveal the dislocation structure of the crystal and it was observed with polarizering microscope. An average basal dislocation density of (010) face is 52 pits·mm-2. The excitation and emission spectra have been measured. Its excitation takes on three peaks structure which locates at 339nm, 396nm and 467nm. The emission is a line spectrum, the main peak locates at 613nm, corresponding to 5D0→7F2 transition of Eu3+ions in ZnWO4 crystals.

Key words:ZnWO4: Eu3+ single crystal; chemical etching method; dislocation; spectrum

作者简介：臧竞存，男，教授，从事材料科学基础教学与科研。主要研究方向为激光晶体、闪烁晶体和发光材料。

第二章晶体结构与晶体中的缺陷

第二章晶体结构与晶体中的缺陷 内容提要：通过讨论有代表性的氧化物、化合物和硅酸盐晶体结构， 用以掌握与本专业有关的各种晶体结构类型。介绍了实际晶体中点缺陷分 类；缺陷符号和反应平衡。固熔体分类和各类固熔体、非化学计量化学化 合物的形成条件。简述了刃位错和螺位错。 硅酸盐晶体结构是按晶体中硅氧四面体在空间的排列方式为孤岛状、组群状、链状、层装和架状五类。这五类的[SiO4]四面体中，桥氧的数目也依次由0增加到4， 非桥氧数由4减至0。硅离子是高点价低配位的阳离子。因此在硅酸盐晶体中，[SiO4] 只能以共顶方式相连，而不能以共棱或共面方式相连。表2-1列出硅酸盐晶体结构类型及实例。 表2-1 Array硅酸 盐晶 体的 结构 类型

真实晶体在高于0K的任何温度下，都或多或少地存在着对理想晶体结构的偏离，即存在着结构缺陷。晶体中的结构缺陷有点缺陷、线缺陷、面缺陷和复合缺陷之分，在无机材料中最基本和最重要的是点缺陷。 点缺陷根据产生缺陷的原因分类，可分为下列三类： （1）热缺陷（又称本征缺陷） 热缺陷有弗仑克儿缺陷和肖特基缺陷两种基本形式。 弗仑克儿缺陷是指当晶格热震动时，一些能量足够大的原子离开平衡位置而挤到晶格点的间隙中，形成间隙原子，而原来位置上形成空位，这种缺陷称为弗仑克儿缺陷。 肖特基缺陷是指如果正常格点上原子，热起伏后获得能量离开平衡位置，跃迁到晶体的表面，而在原正常格点上留下空位，这种缺陷称为肖特基缺陷。 （2）杂质缺陷（非本征缺陷） （3）非化学计量化学化合物 为了便于讨论缺陷反应，目前广泛采用克罗格-明克（Kroger-Vink）的点缺陷符号（见表2-2）。 表2-2 Kroger-Vink缺陷符号（以M2+X2-为例）

材料科学基础复习资料整理

一.名词解释 塑性韧性强度弹性比功分子键（空间）点阵固溶体间隙固溶体固溶强化位错多晶体单晶体反应扩散柯肯达尔效应二次结晶共晶转变包晶转变共析转变铁素体（非）均匀形核结构起伏成分过冷过冷度加工硬化再结晶淬透性（过）时效回火脆性调幅分解 二. 需掌握的知识点 1. 延性断裂和脆性断裂的区分标准—断裂前有无明显塑性变形。 2. 原子核外电子分布规律遵循的三个原则。 3. 金属键、离子键、共价键、分子键的特点。 4. 混合键比例计算与电负性差的关系。 5. fcc、bcc、hcp的常见金属、一个晶胞内原子数、配位数、致密度、常见滑移系等。 6. 固态合金相分为两大类：固溶体（间隙固溶体与置换固溶体）和中间相（区别点）。 7.影响固溶体溶解度的因素。 8.间隙相和间隙化合物的区别。 9. 晶体缺陷几何特征分类-点、线、面缺陷。 10. 点缺陷的种类及其区别（肖脱基缺陷和弗兰克尔缺陷）。 11.获得过饱和点缺陷的方法及原因。 12. 各类位错运动方向与柏氏矢量、切应力、位错线的位向关系。 13. 位错的主要运动方式；常温下金属塑性变形的方式。 14. 位错的增殖机制：F-R位错增殖机制、双交滑移增殖机制的主要内容。 15.说明柏氏矢量的确定方法。掌握利用柏氏矢量和位错线的位向关系来判断位错类型。 16.两根平行的螺型位错相遇时的相互作用情况。 17.刃型位错和螺型位错的不同点。 18. 大小角度晶界的位向差、常见类型、模型描述、能量等。 19. 扩散第一定律、第二定律的数学表达式及其字母的物理含义。 20. 体扩散的主要机制、适用对象、扩散激活能大小等；短路扩散等；反应扩散与原子扩散；多晶材料的三种扩散途径—晶内、晶界、表面扩散。 21.柯肯达尔效应的含义及说明的问题（重要意义）。 22. 上坡扩散：物质由低浓度→高浓度，说明扩散的真正原因是化学势梯度而非浓度梯度。 23. 反应扩散定义、特点、扩散层增厚速度的决定因素。 24. 影响扩散的主要因素简述及分别叙述。 25. 压力加工合金、铸造合金应选取何种成分的合金及原因。 26. 铁碳合金分类：三大类、七小类。 27.亚、共、过共析钢的室温平衡组织组成、相组成及运用杠杆定律求相对含量。 28.结晶相变的热力学、动力学、能量及结构条件。 29.纯金属凝固时，正、负温度梯度与晶体生长形态的关系；实际合金凝固过程中生长形态 与成分过冷的关系。 30. 结晶的两个过程—晶核形成、晶核长大；纯金属结晶的三个必要条件—过冷、能量起伏 （△G*=1/3Aσ的意义）、结构起伏。 31. 液固界面结构与晶体生长机制（微观生长方式）的对应关系。 32. 凝固速度对枝晶偏析的影响。

第二章 晶体结构缺陷习题答案

第二章晶体结构缺陷 1.（错）位错属于线缺陷，因为它的晶格畸变区是一条几何线。 2．（错）螺型位错的柏氏失量与其位错线垂直，刃型位错的柏氏失量与其位错线是平行。 3. （错）肖特基缺陷是由于外来原子进入晶体而产生的缺陷。 4.（错）弗伦克尔缺陷是由于外来原子进入晶体而产生的缺陷。 二选择题 O中存在 A 。 1．非化学剂量化合物Zn 1+x A. 填隙阳离子 B. 阳离子空位 C. 填隙阴离子 D. 阴离子空位 中存在 C 。 2. 非化学计量化合物UO 2+x A. 填隙阳离子 B. 阳离子空位 C. 填隙阴离子 D. 阴离子空位 中存在 D 。 3．非化学剂量化合物TiO 2－x A. 填隙阳离子 B. 阳离子空位 C. 填隙阴离子 D. 阴离子空位 4.螺型位错的位错线是 A 。 A. 曲线 B. 直线 C. 折线 D. 环形线 5．非化学剂量化合物ZnO 中存在 D 。 1－x A. 填隙阳离子 B. 阳离子空位 C. 填隙阴离子 D. 阴离子空位 6. 非化学计量化合物UO 中存在 C 。 2+x A. 填隙阳离子 B. 阳离子空位 C. 填隙阴离子 D. 阴离子空位 三、名词解释 1. 弗仑克尔缺陷 原子离开其平衡位置二进入附近的间隙位置，在原来位置上留下空位所形成的缺陷，特点是填隙原子与空位总是成对出现。 2．固溶体： 物种数：凡在固体条件下，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。

四、解答题 1．完成下列缺陷方程式，并且写出相应的化学式 (1)NaCl 溶入CaCl 2中形成空位型固溶体； (2)CaCl 2溶人NaC1中形成空位型固溶体； 解：（1）NaCl Na Ca ’+ Cl Cl + V Cl · Ca 1－x Na x Cl 2－x （2）CaCl 2 Ca Na · + 2Cl Cl + V Na ’ Na 1－2x Ca X Cl 2完成下列缺陷方程式，并且写出相应的化学式(6分) (1)M gCl 2固溶在LiCl 晶体中形成填隙型 Li 1－x Mg x Cl 1＋x (2) SrO 固溶在Li 2O 晶体中形成空位型 Li 2－2x Sr x O 3．写出下列缺陷反应式 ①.NaCl 形成肖脱基缺陷。 ②.AgI 形成弗伦克尔缺陷（Ag +进入间隙）。 ③KCl 溶入CaCl 2中形成空位型固溶体。 解：1、O→VNa ′+VCl˙ 2、Ag Ag+Vi →A g i ˙+V Ag′ ③ KCl K Ca ’+ Cl Cl + V Cl · Ca 1－x K x Cl 2－x 4 对于MgO 、Al 2O 3和Cr 2O 3，其正、负离子半径比分别为0.47,0.36和0.40。Al 2O 3和Cr 2O 3形成连续固溶体。（4分） （a ）这个结果可能吗？为什么？ （b ）试预计，在MgO －Cr 2O 3系统中的固溶度是有限还是很大的？为什么？ 答（a ）可能，Al 2O 3和Cr 2O 3的正离子半径之比小于15％。晶体结构又相同。所 以可能O Li Li O Li O V Sr S SrO +'+??→??. 2)(Cl i Li LiCl Cl Cl Mg S MgCl ++?? →??')(.2

金属位错理论

金属位错理论 位错的概念最早是在研究晶体滑移过程时提出来的。当金属晶体受力发生塑性变形时，一般是通过滑移过程进行的，即晶体中相邻两部分在切应力作用下沿着一定的晶面晶向相对滑动，滑移的结果在晶体表面上出现明显的滑移痕迹——滑移线。为了解释此现象，根据刚性相对滑动模型，对晶体的理论抗剪强度进行了理论计算，所估算出的使完整晶体产生塑性变形所需的临界切应力约等于G/30，其中G为切变模量。但是，由实验测得的实际晶体的屈服强度要比这个理论值低3~4数量级。为解释这个差异，1934年，Taylor，Orowan和Polanyi 几乎同时提出了晶体中位错的概念，他们认为：晶体实际滑移过程并不是滑移面两边的所有原子都同时做刚性滑动，而是通过在晶体存在着的称为位错的线缺陷来进行的，位错再较低应力的作用下就能开始移动，使滑移区逐渐扩大，直至整个滑移面上的原子都先后发生相对滑移。按照这一模型进行理论计算，其理论屈服强度比较接近于实验值。在此基础上，位错理论也有了很大发展，直至20世纪50年代后，随着电子显微镜分析技术的发展，位错模型才为实验所证实，位错理论也有了进一步的发展。目前，位错理论不仅成为研究晶体力学性能的基础理论，而且还广泛地被用来研究固态相变，晶体的光、电、声、磁和热学性，以及催化和表面性质等。 一、位错的基本类型和特征 位错指晶体中某处一列或若干列原子有规律的错排，是晶体原子排列的一种特殊组态。从位错的几何结构来看，可将他们分为两种基本类型，即刃型位错和螺型位错。 1、刃型位错 刃型位错的结构如图1.1所示。设含位错的晶体为简单立方晶体，晶体在大于屈服值的切应力 作用下，以ABCD面为滑移面发生滑移。多余的半排原子面EFGH犹如一把刀的刀刃插入晶体中，使ABCD 面上下两部分晶体之间产生了原子错排，故称“刃型位错”。晶体已滑移部分和未滑移部分的交线EF就称作刃型位错线。

11.线缺陷、刃型位错

二，线缺陷 线缺陷和位错的概念： 晶体中的线缺陷就是各种类型的位错，它是在晶体某处有一列或若千列原子发生了有规律的错排现象，使长度达几百至几万个原子问距、宽约几个原子间距范围内的原子离开其平衡位置，发生了有规律的错动。 虽然位错有多种类型但其中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 它对于金属的强度、断裂和塑性变形等起着决定性的作用 这里主要介绍位错的基本类型和一些基本概念，关于位错的运动、位错的增殖和交割等内容将在第六章中讲述 ()一刃型位错 刃型位错的模型如图1-3所示 1.设有一简单立方晶体，某一原子面在品体内部中断，这个原子平面中断处的边缘就 是一个刃型位错， 2.犹如用一把锋利的钢刀将晶体上半部分切开，沿切口硬插入一额外半原子面一样 3.将刃口处的原子列称之为刃型位错线 刃型位错有正负之分 若额外半原子面位于晶体的上半部，则此处的位错线称为正刃型位错，以符号"丄"表示。反之，若额外半原子面位于晶体的下半部，则称为负刃型位错，以符号"丁"表示。实际上，这种正负之分并无本质上的区别，只是为了表示两者的相对位，便于以后讨论而已。刃型位错的形成原因分析：

1.事实上，晶体中的位错并不是由于外加额外半原子而造成的，它的形成可能由于多 种原因。 2.例如晶体在塑性变形时，由于局部区域的晶体发生滑移即可形成位错，如图1-35所 示。 局部区域的品体发生滑移即可形成位错如图1.35所示 设想在晶体右上角施加一切应力，促使右上部晶体中的原子沿着滑移面ABCD自右至左移动一个原子间距，由于此吋晶体左上角的原子尚未滑移，于是在晶体内部就出现了已滑移区和未滑移区的边界，在边界附近，原子排列的规则性遭到了破坏，此边界线EF 就相当于图1.33中额外半原子面的边缘，其结构恰好是一个正刃型位错。 因此可以把位错理解为品体中已滑移区和未滑移区的边界 从图1.34b可以看出在位错线周围一个有限区域内 1.原子离开了原来的平衡位置即发生了晶格畸变 2.并且在额外半原子面左右两边的畸变是对称的 3.就好像通过额外半原子面对周围原子施加一弹性应力，这些原子就产生一定的弹性 应变一样 4.所以可以把位错线周围的晶格畸变区看成是存在着一个弹性应力场 5.就正刃型位错而言，滑移面上边的原子显得拥挤，原子间距变小，晶格受到压应力； 晶格下边的原子则显得稀疏，原子间距变大，晶格受到拉应力，而在滑移面上，晶格受到的是切应力。 刃型位错不同位置畸变程度： 在位错中心，即额外半原子面的边缘处，晶格畸变最大，随着距位错中心距离的增加，畸变程度逐渐减小。

第三讲实际金属的晶体结构

第三讲实际金属的晶体结构 第三节实际金属的晶体结构 一、主要内容： 晶体缺陷的概念，研究晶体缺陷的意义，晶体缺陷的种类 点缺陷的概念、种类，点缺陷产生的原因，晶格畸变的概念，间隙原子，置换原子，晶格空位， 线缺陷的概念，线缺陷的种类，刃型位错、螺型位错的特征，正刃型位错、负刃型位错，左螺型位错、右螺型位错，混合型位错，位错周围的应力场，位错周围的晶格畸变，柏氏矢量的概念，柏氏矢量的确定、表示方法，用柏氏矢量判断位错的类型，位错密度，位错在晶体中的特性。 面缺陷的种类，晶体表面，晶界，小角度晶界，大角度晶界，亚晶界，堆垛层错，相界，晶界的特性。 二、要点： 缺陷的概念及缺陷的种类。 三、方法说明; 晶体内部的缺陷确实存在，晶体内部的缺陷对金属的性能有很大的影响甚至起着决定性的作用。应该了解晶界与相界的区别，晶界的特性。 重点概念：是晶格畸变，间隙原子，置换原子，位错，亚结构。 难点：是螺型位错，用模型讲述会更清楚。 授课内容： 一、点缺陷 点缺陷的类型及特点： 金属晶体中常见的点缺陷有：空位、间隙原子、置换原子等。 晶体中位于晶格结点上的原子并非静止不动的，而是以其平衡位置为中心作热运动。当某一瞬间，某个原子具有足够大的能量，克服周围原子对它的制约，跳出其所在的位置，使晶格中形成空结点，称空位。挤入间隙的原子叫间隙原子； 占据在原来晶格结点的异类原子叫置换原子。 1、空位 空位是一种热平衡缺陷,即在一定温度下,空位有一定的平衡浓度。空位在晶体中的位置不是固定不变的,而是不断运动变化的。空位是由原子脱离其平衡位置而形成的，脱离平衡位置的原子大致有三个去处： (1)迁移到晶体表面上,这样所产生的空位叫肖脱基空位； (2)迁移到晶格的间隙中,这样所形成的空位叫弗兰克尔空位； (3)迁移到其他空位处,这样虽然不产生新的空位,但可以使空位变换位置。 晶格畸变：由于空位的存在。其周围原子失去了一个近邻原子而使相互间的作用失去平衡，因而它们朝空位方向稍有移动，偏离其平衡位置，就会在空位周围出现一个涉及几个原子间距范围的弹性畸变区，叫晶格畸变。 2、间隙原子 处于晶格间隙中的原子即为间隙原子。在形成弗兰克尔空位的同时,也形成一个间隙原子，另外溶质原子挤入溶剂的晶格间隙中后，也称为间隙原子,他们都会造成严重的晶体畸变。间隙原子也是一种热平衡缺陷，在一定温度下有一平衡浓度，对于异类间隙原子来说，常将这一平衡浓度称为固溶度或溶解度。 3、置换原子

西南交大晶体位错

位错理论与应用试题： 1、解释：柯氏气团、扩展位错、位错束集、层错能（20分） 2、简述兰克—瑞德位错增值机制及位错的分类？（10分） 3、位错的表征及观察方法有哪些？（10分） 4、综述层错能和晶体结构对金属塑性变形机理的影响？（20分） 5、金属的强化方式有哪些？阐述不同强化方式中位错的强化机理？（25分） 6、什么是金属的加工硬化，并应用位错理论解释金属的加工硬化机理。（15）

1、解释：柯氏气团、扩展位错、位错束集、层错能（20分） 答：（1）柯氏气团：间隙式或者置换式溶质原子在刃型位错弹性交互作用时，交互能为负的情况下，溶质在基体中不会形成均匀分布，它们要偏聚到刃型位错张应力区并紧靠位错线，形成所谓“柯氏气团”。这种气团牢固地将位错钉扎住，因而对为错的运动和力学行为有重大影响。 （2）扩展位错：一个全位错分解为两个或多个不全位错，其间以层错带相连，这个过程称为位错的扩展，之间夹着一片层错区所组成的缺陷组态称为扩展位错。 （3）位错束集：当扩展位错区遇到杂志原子、第二相粒子、位错林等障碍时，由于这些区域能量升高，导致扩展位错在此处宽度缩小，甚至成为节点，称为位错束集。如下图C点所示。 （4）层错能：金属结构在一层一层堆垛时，没有严格的按照堆垛顺序，形成堆垛层错。层错是一种晶格缺陷，它破坏了晶体的周期完整性，引起能量升高，通常把单位面积层错所增加的能量称为层错能。 2、简述弗兰克—瑞德位错增值机制及位错的分类？（10分） 答：（1）弗兰克—瑞德位错的增值机制： 弗兰克—瑞德位错增值机制如下图所示。这种理论认为新位错的产生是原有位错增值的结果。假设晶体中有一段位错AB，它的两端被位错网的结点钉扎住。沿着图（a）中的箭头方向对AB施加应力，AB由于两端被固定，只能发生弯曲，结果如下图（b）所示。由于位错所受应力恒与位错垂直，所以弯曲后的位错每一微段还会继续受到力的作用，并沿着其法线方向持续向外运动，发展情况如（c）

郑州大学无机材料科学-试题精选-第3章 晶体缺陷

第３章晶体缺陷 试题精选加入时间： 简答 1、指出图中位错环的各段位错是什么性质的位错，它们在外应力作用下将如何运动？ 2、在铜单晶的（111）面上有一个的右旋螺位错，式中a=0.36nm,今沿[001]方向拉伸，拉应力为106Pa,求作用在螺位错上的力。 3、在图中位错环ABCDA是通过环内晶体发生滑移而环外晶体不滑移形成的。在滑移时滑移面上部的晶体相对于下部晶体沿oy轴滑动了距离b1。此外，在距离位错为d 处有一根垂直于环面的右旋螺位错，其柏氏矢量为b2。 （1）求出和各段位错的类型。 （2）求出对上述各段位错的作用力。在此力作用下位错环ABCDA将变成什么形

状？ （3）若位错沿oy方向运动而穿过位错环，请画出交割以后各位错的形状（要求指出割阶的位置和长度。）（图未画） 4、判断下列位错反应能否进行？若能进行，试在晶胞上作出矢量关系图。 (a)(b) (c)(d) (e)。 5、(a)MgO晶体中，肖特基缺陷的生成能为6ev，计算在25°C和 1600°C时热缺陷的浓度。 (b)如果MgO晶体中，含有百分之一mol的Al2O3杂质，则在1600°C时，MgO晶体中是热缺陷占优势还是杂质缺陷占优势？说明原因。 6、对MgO晶体的缺陷测定生成能为84KJ/mol,计算该晶体在1000K和1500K时的缺陷浓度。 7、非化学计量化合物FexO中，Fe3+/Fe2+=0.1，求FexO中的空位浓度及x值。 8、(a)在MgO晶体中，肖特基缺陷的生成能为6ev，计算在25°C和1600°C时热缺陷的浓度。 (b)如果MgO晶体中，含有百万分之一的Al2O3杂质，则在1600°C时，MgO晶体中是热缺陷占优势还是杂质缺陷占优势？说明原因。 9、对某晶体的缺陷测定生成能为84千焦/摩尔，计算该晶体在1000K和1500K时的缺