晶体缺陷及其应用

晶体缺陷及其应用

摘要

少量晶体缺陷对于晶体的物理性能能够产生重要影响，所以可以根据不同的晶体缺陷，开发利用其产生的影响，充分发挥可能产生的作用，研究并制备具有不同性能的材料，以适应人们不同的实际需要和时代的发展需求。

关键词

晶体缺陷性能铁磁性电阻半导体材料

引言

在讨论晶体结构时，我们认为晶体的结构是三维空间内周期有序的，其内部质

点按照一定的点阵结构排列。这是一种理想的完美晶体，它在现实中并不存在，只

作为理论研究模型。相反，偏离理想状态的不完整晶体，即有某些缺陷的晶体，具

有重要的理论研究意义和实际应用价值。所有的天然和人工晶体都不是理想的完整

晶体，它们的许多性质往往并不决定于原子的规则排列，而决定于不规则排列的晶

体缺陷。

晶体缺陷对晶体生长、晶体的力学性能、电学性能、磁学性能和光学性能等均

有着极大影响，在生产上和科研中都非常重要，是固体物理、固体化学、材料科学

等领域的重要基础内容。研究晶体缺陷因此具有了尤其重要的意义。本文着重对晶体缺陷及其对晶体的影响和应用进行阐述。

1.晶体缺陷的定义和分类

1.1 晶体缺陷的定义

在理想的晶体结构中，所有的原子、离子或分子都处于规则的点阵结构的位置上，也就是平衡位置上。1926 年Frenkel 首先指出，在任一温度下，实际晶体的原

子排列都不会是完整的点阵，即晶体中一些区域的原子的正规排列遭到破坏而失去

正常的相邻关系。我们把实际晶体中偏离理想完整点阵的部位或结构称为晶体缺陷（defects of crystals）[1]。

1.2 晶体缺陷的分类

1.2.1、按缺陷的几何形态分类可分为四类：点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷。

1.点缺陷（零维缺陷）：缺陷尺寸处于原子大小的数量级上，即三维方向上缺陷的尺寸

都很小。包括：空位（vacancy）、间隙原子（interstitial particle）、异类原子（foreign particle）。

点缺陷与材料的电学性质、光学性质、材料的高温动力学过程等有关。

2..线缺陷（一维缺陷）：指在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列所产生的缺陷，即缺陷尺寸在一维方向较长，另外二维方向上很短。线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性密切相关。

3.面缺陷：面缺陷又称为二维缺陷，是指在二维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列而产生的缺陷，即缺陷尺寸在二维方向上延伸，在第三维方向上很小。如晶界、相界、表面、堆积层错、镶嵌结构等。面缺陷的取向及分布与材料的断裂韧性有关。[2]

4.体缺陷

也称为三维缺陷，指晶体中在三维方向上相对尺度比较大的缺陷，和基质晶体

已经不属于同一物相，是异相缺陷。

固体材料中最基本和最重要的晶体缺陷是点缺陷，包括本征缺陷和杂质缺陷等。

1.2.2、按缺陷产生的原因分类：热缺陷、杂质缺陷、非化学计量缺陷、其它原因（如电荷缺陷，辐照缺陷等）。

1.热缺陷

定义:热缺陷亦称为本征缺陷，是指由热起伏的原因所产生的空位或间隙质点（原子或离子）。

类型:弗仑克尔缺陷（Frenkel defect）和肖脱基缺陷（Schottky defect）

热缺陷浓度与温度的关系:温度升高时，热缺陷浓度增加

2.杂质缺陷

定义:亦称为组成缺陷，是由外加杂质的引入所产生的缺陷。

特征:如果杂质的含量在固溶体的溶解度范围内，则杂质缺陷的浓度与温度无关。

3.非化学计量缺陷

定义:指组成上偏离化学中的定比定律所形成的缺陷。它是由基质晶体与介质中的某些组分发生交换而产生。

特点:其化学组成随周围气氛的性质及其分压大小而变化。[3]

2.晶体缺陷对物理性能的影响

缺陷的存在破坏了晶体结构的完整，对其性能有严重影响。我们分别从一下个方面进行讨论。

2.1 晶体电阻缺陷与晶体电学性能

2．1．1 晶体电阻

电阻就其物理意义来说是表征电子在运动过程中它所处的状态被改变的几率。实际上位于晶体阵点上的原子(或离子实)是不断地振动着的，它与电子相互作用使电子状态发生改变，因此金属晶体有电阻，而且温度愈高电阻愈大。而由于晶体缺陷的存在使得离子偏离平衡位置，从而使晶体存在缺陷电阻。

2．1．2点缺陷电阻

缺陷根据其特性会从三方面影响晶体的周期场。(1)缺陷所在处的荷电量一般说来与基体离子的不同，故在缺陷附近形成了屏蔽场。(2)因杂质原子与基体原子大小不同或因空位形成而使周围原子发生位移，或因基体原子脱离点阵位置而成为间隙原子都会形成附加位一称为变型位。(3)即使替代原子与基体原子的原子价相同，原子大小相近，由于各自的原子位有差别，其附近的晶体周期场也会受到破坏。这些也都能产生相应的电阻。

此外还有位错电阻，但位错电阻至今尚未精确计算过，主要问题在于散射位的探求较困难。

2.2 缺陷与半导体性能

硅、锗等第4族元素的共价晶体绝对零度时为绝缘体，温度刀·高导电率增加但比金属的小得多，称这种晶体为半导体。晶体呈现半导体性能的根本原因是填满电子的最高能带与导带之间的禁带宽度很窄，温度升高部分电子可以从满带跃迁到导带成为传导电子。晶体的半导体性能决定于禁带宽度以及参与导电的载流子(电子或空穴)数目和它的迁移率。缺陷影响禁带宽度和载流子数目及迁移率，因而对晶体的半导体性能有严重影响。

2．2．1 缺陷对半导体晶体能阶的影响

硅和锗本征半导体的晶体结构为金刚石型。每个原子与四个近邻原子共价结合。杂

质原子的引入或空位的形成都改变了参与结合的共价电子数目，影响晶体的能价分布。

有时为了改善本征半导体的性能有意掺入一些三、五族元素形成掺杂半导体；而其他点缺陷如空位或除三，五族以外的别的杂质原子原则上也会形成附近能阶。位错对半导体性能影响很大，但目前只对金钢石结构的硅、锗中的位错了解得较多一点。2．2．2 缺陷对载流子数目的影响

点缺陷使能带的禁带区出现附加能阶，位错本身又会起悬浮键作用，它起着施主或受主的作用，另外位错俘获电子使载流子数目减少，所以半导体中实际载流子数目减少。

2.3 位错对铁磁性的影响

只有过渡族元素的一部分或其部分化合物是铁磁性材料。物质的铁磁性要经过外磁场的磁化作用表现出来。能量极小原理要求磁性物质是由磁矩取向各异的磁畴构成。

一般说来加工硬化降低磁场H的磁化作用，磁畴不可逆移动开始的磁场Ho (起始点的磁场强度)升高，而加工则使物质的饱和磁化强度降低。[4]

3. 晶体缺陷在半导体材料方面的应用

3. 1ZnO

过量的Zn 原子可以溶解在ZnO 晶体中，进入晶格的间隙位置，形成间隙型离

子缺陷，同时它把两个电子松弛地束缚在其周围，对外不表现出带电性。但这两个

电子是亚稳定的，很容易被激发到导带中去，成为准自由电子，使材料具有半导性。3. 2 Fe3O4

Fe3O4 晶体中，全部的Fe2+离子和1/2 量的Fe3+离子统计地分布在由氧离子密堆

所构成的八面体间隙中。因为在Fe2+ — Fe3+ — Fe2+ — Fe3+—……之间可以迁移，Fe3O4 是一种本征半导体[4]。

3. 3掺杂硅半导体

常温下硅的导电性能主要由杂质决定。在硅中掺入VA 族元素杂质（如P、As、Sb 等）后，这些VA 族杂质替代了一部分硅原子的位置，但由于它们的最外层有5个价电子，其中4 个与周围硅原子形成共价键，多余的一个价电子便成了可以导电的自由电子。这样一个VA 族杂质原子可以向半导体硅提供一个自由电子而本身成为带正电的离子，通常把这种杂质称为施主杂质。当硅中掺有施主杂质时，主要靠施主提供的电子导电，这种依靠电子导电的半导体被成为n 型半导体。

3.4 BaTiO3 半导瓷

在BaTiO3 陶瓷中，人们常常加入三价或五价杂质来取代Ba2+离子或Ti4+离子来形成n 型半导瓷。例如，从离子半径角度来考虑，一般使用的五价杂质元素的离子

半径是与Ti4+离子半径（0.064nm）相近的，如Nb5+=0.069nm，Sb5+=0.062nm，它们

容易替代Ti4+离子；或者使用三价元素，如La3+=0.122nm，Ce3+=0.118nm，

Nd3+=0.115nm，它们接近于Ba2+离子的半径（0.143nm），因而易于替代Ba2+离子[5]。由此可知，不管使用三价元素还是五价元素掺杂，结果大都形成高价离子取代，即

形成n 型半导体。

国内外学者对物质性能与缺陷的关系研究得相当多，它在包括激光、光电转换等许多方面都取得了可喜的进展，并有很好的应用前景。相信在作为21世纪科技高速发展的今天，晶体缺陷及其对晶体物理性质的影响必将能更大的发挥其功效，为材料领域带来可喜的成就与发展！

参考文献

[1]黄昆,韩汝琦固体物理.北京:科学出版社,1979__

[2]蒲永平.功能材料的缺陷化学.北京:化学工业出版社,2008:1

[3]林栋樑.晶体缺陷.上海交通大学出版社,1996:5

[4]陈继勤陈敏熊赵敬世晶体缺陷.，浙江大学出版社，1991.8

[5]隋春宁张骏曹自强官亚夫晶体缺陷及其在半导体材料方面的应用，2008 .11 .19

[6]张兴,黄如,刘晓彦.微电子学概论.第二版.北京:北京大学出版社,2005:15

晶体缺陷习题及答案解析

晶体缺陷习题与答案 1 解释以下基本概念 肖脱基空位、弗仑克尔空位、刃型位错、螺型位错、混合位错、柏氏矢量、位错密度、位错的滑移、位错的攀移、弗兰克—瑞德源、派—纳力、单位位错、不全位错、堆垛层错、汤普森四面体、位错反应、扩展位错、表面能、界面能、对称倾侧晶界、重合位置点阵、共格界面、失配度、非共格界面、内吸附。 2 指出图中各段位错的性质，并说明刃型位错部分的多余半原子面。 3 如图，某晶体的滑移面上有一柏氏矢量为b 的位错环，并受到一均匀切应力τ。(1)分析该位错环各段位错的结构类型。(2)求各段位错线所受的力的大小及方向。(3)在τ的作用下，该位错环将如何运动?(4)在τ的作用下，若使此位错环在晶体中稳定不动，其最小半径应为多大? 4 面心立方晶体中，在(111)面上的单位位错]101[2a b =，在(111)面上分解为两个肖克莱不全位错，请写出该位错反应，并证明所形成的扩展位错的宽度由下式给出πγ 242 Gb s d ≈(G 切 变模量，γ层错能)。 5 已知单位位错]011[2a 能与肖克莱不全位错]112[6a 相结合形成弗兰克不全位错，试说明： （1）新生成的弗兰克不全位错的柏氏矢量。(2)判定此位错反应能否进行？(3)这个位错为什么称固定位错? 6 判定下列位错反应能否进行?若能进行，试在晶胞上作出矢量图。 (1)]001[]111[]111[22a a a →+ (2)]211[]112[]110[662a a a +→ (3)]111[]111[]112[263a a a →+ 7 试分析在(111)面上运动的柏氏矢量为]101[2a b =的螺位错受阻时， 能否通过交滑移转移

浅谈晶体缺陷及其应用

浅谈晶体缺陷及其应用 1103011036 周康粉体一班 摘要：晶体缺陷对晶体的力学性能既有有利的方面，也有不利的方面。少量晶体缺陷对于晶体的物理性能能够产生重要影响，所以可以根据不同的晶体缺陷，开发利用其产生的影响，充分发挥可能产生的作用，研究并制备具有不同性能的材料，以适应人们不同的实际需要和时代的发展需求。 关键词：晶体缺陷; 性能; 铁磁性; 电阻; 半导体材料；杂质 引言：在讨论晶体结构时，我们认为晶体的结构是三维空间内周期有序的，其内部质点按照一定的点阵结构排列。这是一种理想的完美晶体，它在现实中并不存在，只作为理论研究模型。相反，偏离理想状态的不完整晶体，即有某些缺陷的晶体，具有重要的理论研究意义和实际应用价值。所有的天然和人工晶体都不是理想的完整晶体，它们的许多性质往往并不决定于原子的规则排列，而决定于不规则排列的晶体缺陷。 晶体缺陷对晶体生长、晶体的力学性能、电学性能、磁学性能和光学性能等均有着极大影响，在生产上和科研中都非常重要，是固体物理、固体化学、材料科学等领域的重要基础内容。研究晶体缺陷因此具有了尤其重要的意义。本文着重对晶体缺陷及其对晶体的影响和应用进行阐述。 1.晶体缺陷的定义和分类 1.1 晶体缺陷的定义 在理想的晶体结构中，所有的原子、离子或分子都处于规则的点阵结构的位置上，也就是平衡位置上。1926 年弗仑克尔l首先指出，在任一温度

下，实际晶体的原子排列都不会是完整的点阵，即晶体中一些区域的原子的正规排列遭到破坏而失去正常的相邻关系。我们把实际晶体中偏离理想完整点阵的部位或结构称为晶体缺陷. 1.2 晶体缺陷的分类 1.2.1、按缺陷的几何形态分类可分为四类：点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷。 1.点缺陷（零维缺陷）：缺陷尺寸处于原子大小的数量级上，即三维方向上缺陷的尺寸都很小。包括：空位（vacancy）、间隙原子（interstitial particle）、异类原子（foreign particle）。 点缺陷与材料的电学性质、光学性质、材料的高温动力学过程等有关。2..线缺陷（一维缺陷）：指在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列所产生的缺陷，即缺陷尺寸在一维方向较长，另外二维方向上很短。线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性密切相关。 3.面缺陷：面缺陷又称为二维缺陷，是指在二维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列而产生的缺陷，即缺陷尺寸在二维方向上延伸，在第三维方向上很小。如晶界、相界、表面、堆积层错、镶嵌结构等。面缺陷的取向及分布与材料的断裂韧性有关。 固体材料中最基本和最重要的晶体缺陷是点缺陷，包括本征缺陷和杂质缺陷等。 1.2.2、按缺陷产生的原因分类： 热缺陷、杂质缺陷、非化学计量缺陷、其它原因（如电荷缺陷，辐照缺陷等）。

晶体缺陷和强度理论

非晶合金的强度研究及进展 非晶合金，又称金属玻璃，由于具有优异的物理、化学、光学、磁学和力学性能，受到人们的普遍关注，成为材料领域的研究热点之一。大量的研究与开发工作表明，非晶合金材料在许多实用性能方面具有十分明显的优势，具有良好的应用前景。非晶合金研究的进展，不仅突破了长期以来金属合金只能以结晶态形式凝固这一传统认识，丰富了合金液固相变理论，而且在合金的非晶形成能力、非晶合金的相结构及其相演化过程、非晶合金的性能等方面的研究都取得了大量成果。 1非晶合金的发展历史 自从1960 年首次用熔体快速凝固方法制备出Au-Cu 非晶合金以来，在随后的30 年里，大量的非晶合金已经被制备出来。众所周知，在1990年以前可以用105K/s 的冷却速率制备出Fe 基、Co 基和Ni 基非晶合金，但这些合金的厚度都小于50 μm，其中，作为特例的贵金属基Pd-Ni-P 和Pt-Ni-P 合金系，其临界冷却速度也在103 K/s 的数量级。在1974 年Chen对Pb-T-P(T=Ni, Co, Fe)合金进行了系统的研究并制备出了厚度为 1 mm 的非晶合金。在1982 年，可以制备出临界尺寸较大的Au55 Pd22.5 Sb22.5非晶合金。虽然在大块非晶合金的研究中取得了突出的进展，但是这些合金的成本昂贵，在长达十几年的时间内，利用非贵金属制备大块非晶合金的愿望始终未能实现，使非晶合金的应用范围受到很大限制。 上世纪八十年代后期，日本学者 A. Inoue(井上明久)领导的课题组首先在非贵金属系大块非晶合金制备方面取得了突破，并受到同行的关注。自从1988 年以来，发现可以用更低的临界冷却速率制备出新的多组元合金体系，包括Mg 基、Zr基、Fe 基、Pd基[、La 基、Ti基和Ni 基合金体系。由于发现了具有很强的非晶形成能力的合金体系，使得在临界冷却速度低于102 K/s 的条件下，用一般的工艺方法(铜模铸造方法等)即可获得三维尺寸在毫米以上量级的大块非晶合金。 目前人们所研究的大块非晶合金体系中，Pd系、La 系和Zr系多组元合金具有优秀的非晶形成能力，其中美国Johnson 课题组开发的Zr-Ti-Cu-Ni-Be 和日本

晶体缺陷

晶体的缺陷及其在半导体中的应用 内容摘要 缺陷对晶体来说是很难被消除的，缺陷的存在会影响晶体的某些性质。晶体中的缺陷包括点缺陷、线缺陷、面缺陷以及体缺陷。不管是哪种类型的缺陷，它都会对晶体材料的性质产生影响。人们可以根据实际需要，通过人为地向晶体引入缺陷来开发制备出对人们有用的材料。该文简要介绍了缺陷的类型、定义、运动以及一些缺陷的简单应用。 【关键词】缺陷运动半导体影响

Crystal defects and the application of defects in semiconductor Abstract Defects in the crystal is very difficult to be eliminated, the defect will affect some properties of the crystal. Crystal defects including point defects, line defects, surface defects and bulk defects. No matter what type of defect, it will affect some properties of the crystal . People can produce some crystal material which is useful by artificially introducing defects to the crystal according to actual needs. This paper briefly describes the type of defect, definitions, sports, and some applications of defects. 【Key Words】Defects Movement Semiconductor Impact

第七章晶体缺陷

第七章晶体缺陷 第一章所述的晶体结构是理想晶体的结构，但是在实际应用的金属中，总是不可避免地存在着不完整性，即原子的排列都不是完美无缺的。实际金属中原子排列的不完整性称为晶体缺陷。按照晶体缺陷的几何形态特征，可以将其分为以下三类： (1)点缺陷（point defect）其特征是三个方向上的尺寸都很小，相当于原子的尺寸，例如空位（vacancy）、间隙原子（interstitial atom）、置换原子（substitional atom）等； (2)线缺陷（line defect）其特征是在两个方向上的尺寸很小，另一个方向上的尺寸相对很大。属于这一类缺陷的主要是位错（dislocation）； (3)面缺陷（interfacial defect）其特征是在一个方向上的尺寸很小，另两个方向上的尺寸相对很大，例如晶界、亚晶界（subgrain boundary）等。 7-1 点缺陷 常见的点缺陷有三种，即空位、间隙原子和置换原子，如图2.11所示。 间隙原子 空位 置换原子 图2.11 晶体中的点缺陷 一、空位 在实际晶体的晶格中，并不是每个平衡位置都为原子所占据，总有极少数位置是空着的，这就是空位。由于空位的出现，使其周围的原子偏离平衡位置，发生晶格畸变（distortion），所以说空位是一种点缺陷。 二、间隙原子 间隙原子就是处于晶格空隙中的原子。晶格中原子间的空隙是很小的，一个

原子硬挤进去，必然使周围的原子偏离平衡位置，造成晶格畸变，因此间隙原子也是一种点缺陷。间隙原子有两种，一种是同类原子的间隙原子，另一种是异类原子的间隙原子。 三、置换原子 许多异类原子溶入金属晶体时，如果占据在原来基体原子的平衡位置上，则称为置换原子。由于置换原子的大小与基体原子不可能完全相同，因此其周围临近原子也将偏离其平衡位置，造成晶格畸变，因此置换原子也是一种点缺陷。 由上可知，不管是哪类点缺陷，都会造成晶格畸变，这将对金属的性能产生影响，如使屈服强度升高、电阻增大、体积膨胀等。此外，点缺陷的存在，还将加速金属中的扩散过程，从而影响与扩散有关的相变化、化学热处理、高温下的塑性变形和断裂等。 7-2 线缺陷 晶体中的线缺陷就是各种类型的位错。位错是一种极重要的晶体缺陷，它是在晶体中某处有一列或若干列原子发生了有规律的位错现象，使长度达几百至几万个原子间距、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。位错有多种类型，其中最简单、也是最基本的有两种：刃型位错（edge dislocation ）和螺型位错（screw dislocation ），如图2.12所示。 一、刃型位错 刃型位错如图2.12(b)所示。由图可见，晶体的上半部分已经发生了局部滑移，左边是未滑移区，右边是已滑移区，原子向左移动了一个原子间距。在已滑移区和未滑移区之间，出现了一个多余的半原子面，好象一片刀刃插入晶体，中止在内部。沿着半原子面的“刃边”，晶格发生了很大的畸变，这就是一条刃型位错。如图2.13所示，晶格畸变中心的联线就是刃型位错线（图中画“⊥”处）。位错线并不是一个原子列，而是一个晶格畸变的“管道”。 (a)完整晶体 (b)刃型位错 (c)螺型位错 图2.12 完整晶体和位错

晶体缺陷习题与答案

· 晶体缺陷习题与答案 1 解释以下基本概念 肖脱基空位、弗仑克尔空位、刃型位错、螺型位错、混合位错、柏氏矢量、位错密度、位错的滑移、位错的攀移、弗兰克—瑞德源、派—纳力、单位位错、不全位错、堆垛层错、汤普森四面体、位错反应、扩展位错、表面能、界面能、对称倾侧晶界、重合位置点阵、共格界面、失配度、非共格界面、内吸附。 2 指出图中各段位错的性质，并说明刃型位错部分的多余半原子面。 3 如图，某晶体的滑移面上有一柏氏矢量为b 的位错环，并受到一均匀切应力τ。(1)分析该位错环各段位错的结构类型。(2)求各段位错线所受的力的大小及方向。(3)在τ的作用下，该位错环将如何运动(4)在τ的作用下，若使此位错环在晶体中稳定不动，其最小半径应为多大 4 面心立方晶体中，在(111)面上的单位位错]101[2a b =，在(111)面上分解为两个肖克莱不全位错，请写出该位错反应，并证明所形成的扩展位错的宽度由下式给出πγ 242 Gb s d ≈(G 切 变模量，γ层错能)。 ' 5 已知单位位错]011[2a 能与肖克莱不全位错]112[6a 相结合形成弗兰克不全位错，试说明： （1）新生成的弗兰克不全位错的柏氏矢量。(2)判定此位错反应能否进行(3)这个位错为什么称固定位错 6 判定下列位错反应能否进行若能进行，试在晶胞上作出矢量图。 (1)]001[]111[]111[22a a a →+ (2)]211[]112[]110[662a a a +→ (3)]111[]111[]112[263a a a →+

7 试分析在(111)面上运动的柏氏矢量为]101[2a b 的螺位错受阻时，能否通过交滑移转移到(111)，(111)，(111)面中的某个面上继续运动为什么 8 根据晶粒的位向差及其结构特点，晶界有哪些类型有何特点属性 9 直接观察铝试样，在晶粒内部位错密度为5×1013/m 2，如果亚晶间的角度为5o ，试估算界 面上的位错间距(铝的晶格常数a=×10-10 m)。 { 1. 设铜中空位周围原子的振动频率为1013s -1，⊿Em 为γTM 10-18 J ，exp(⊿Sm/k)约为1，试计算在700K 和室温(27℃)时空位的迁移频率。 2. Nb 的晶体结构为bcc ，其晶格常数为，密度为cm 3，试求每106 Nb 中所含空位数目。 3. Pt 的晶体结构为fcc ，其晶格常数为，密度为cm 3 ，试计算空位所占的格子之比例。 4. 若fcc 的Cu 中每500个原子会失去一个原子，其晶格常数为，试求铜的密度。 5. 若H 原子正好能填入a-Fe 的间隙位置，而如果每200个铁原子伴随着一个H 原子，试求理论的和平均的密度与致密度(已知a-Fe a=，r Fe =， r H =。 6. MgO 的密度为cm 3 ，其晶格常数为，试求每个MgO 单位晶胞内所含的肖托基缺陷之数目。 7. 在铁中形成1mol 空位的能量为，试计算从20℃升温之850℃时空位数目增加多少倍？ 8. 由600℃降至300℃时，锗晶体中的空位平衡浓度降低了六个数量级，试计算锗晶体中的空位形成能。 9. 钨在20℃时每1023个晶胞中有一个空位，从20℃升至1020℃，点阵常数膨胀了4γTM 10-4 %，而密度下降了%，求钨的空位形成能及形成熵。 10. 铝的空位形成能(EV)和间隙原子形成能(Ei)分别为和,求在室温(20℃)及500℃时铝空位平衡浓度与间隙原子平衡浓度的比值。 11. 若将一位错线的正向定义为原来的反向，此位错的柏氏矢量是否改变位错的类型性质是否改变一个位错环上各点位置类型是否相同？ 12. 有两根左螺旋位错线，各自的能量都为E 1，当他们无限靠拢时，总能量为多少？ 13. 如下图3-1表示两根纯螺位错，一个含有扭折，而另一个含有割阶。从图上所示的箭头方向为位错线的正方向，扭折部分和割阶部分都为纯刃型位错。a)若图示滑移面为fcc 的(111)面，问这两对位错线段中(指割阶和扭折)，哪一对比较容易通过他们自身的滑移而去除b)解释含有割阶的螺型位错在滑动时是怎样形成空位的。 14. 假定有一个柏氏矢量在[0-10]晶向的刃型位错沿着(100)晶向而滑动，a)如果有另一个柏氏矢量在[010]方向，沿着(001)晶面上运动的刃型位错，通过上述位错时该位错将发生扭折还是割阶b)如果有一个柏氏矢量方向为[100]，并在(001)晶面上滑动的螺型位错通过上述位错，试问它将发生扭折还是割阶？ 15. 有一截面积为1mm 2 ，长度为10mm 的圆柱状晶体在拉应力作用下，a)若与圆柱体轴线成45°的晶面上有一个位错线运动，它穿过试样从另一面穿出，问试样将发生多大的伸长量(设 b=γTM 10-10m)b)若晶体中位错密度为1014m -2 ，当这些位错在应力作用下，全部运动并走出晶体，试计算由此而发生的总变形量(假定没有新的位错产生)。c)求相应的正应变。 16. 有两个被钉扎住的刃型位错A-B 和C-D ，他们的长度x 相等，且有相同的b 大小和方向(图3-2)。每个位错都可看作F-R 位错源。试分析在其增值过程中两者间的交互作用。若能形成一个大的位错源，使其开动的τc 多大若两位错b 相反，情况又如何

晶体缺陷及其材料性能的影响

晶体缺陷及其对材料性能的影响 摘要:所有的天然和人工晶体都不是理想的完整晶体，它们的许多性质往往并 不决定于原子的规则排列，而决定于不规则排列的晶体缺陷。晶体缺陷对晶体生长、晶体的力学性能、电学性能、磁学性能和光学性能等均有着极大影响，在生产上和科研中都非常重要，是固体物理、固体化学、材料科学等领域的重要基础内容。研究晶体缺陷因此具有了尤其重要的意义。本文着重对晶体缺陷及其对晶体的影响和应用进行阐述，以适应人们不同的实际需要和时代的发展需求。 关键词:晶体缺陷 ; 性能 Crystal defect and it’s influence on the material properties Abstract All of the natural and artificial crystal is not ideal complete crystal, many of their properties are not always decide to the rules of at oms to arrange, but decide to the irregular arrangement in the crystal de fect. Crystal defect have an enormous influence to crystal growth, mecha nical properties of crystal, electrical properties, magnetic properties and o ptical properties, etc, they are very important in the production and resea rch, It is important content. to a basis research in the field of crystal def ect,such as solid physics, chemistry, material science,and so on. it so ha s been particularly important significance to solid. In order to adapt to th e different actual needs and the development o f The demand of Times.o f people.This paper focuses on expoundin g the influence and the applica tion of the crystal defect and its impact on the crystal. Keyword crystal defect property 1. 引言 很早以前, 金属物理学家在研究金属的加工变形时就发现了晶体缺陷与金属的变形行为及力学性质有密切的关系。后来, 材料科学家发现这类缺陷不仅控制着材料的力学性状, 而且对材料的若干物理性质(如导电性、导热性等) 有直接的影响, 故在冶金物理学和材料科学领域里逐渐发展了晶体缺陷理论。在地学界, 近10多年来人们开始认识到晶体的塑性变形完全取决于晶体缺陷, 即矿物岩石在塑性流动过程中晶体缺陷起着控制性的作用。70年代随着离子减薄技术的应用, 为电子显微镜作为倍数极高的矿物岩相学观察工具提供了先决条件, 也为天然变形矿物晶体缺陷和塑性流动的研究开辟了新的途径。然而, 目前晶体缺陷在地质科学中的应用研究成果还很少, 主要以金属中的为主。众所周知, 晶体是由离子、原子或分子有规律地排列而构成的, 这种晶体称为完整晶体。但是, 在实际晶体中, 晶体质点的规律排列或多或少会在某些微区遭到破坏, 称为晶体缺陷。根据缺陷在晶体中分布的几何特点, 可将其分为3大类, 即点缺陷、线缺陷和面缺陷。如果这些缺陷是在晶体生长过程中产生

1-3_晶体缺陷研究

§1-3 晶体缺陷的研究
1、 结晶学观点出发，研究缺陷存在的形态 结晶学观点出发 研究缺陷存在的形态 2、 热力学立场出发，研究缺陷生成的理论依据 热力学立场出发 研究缺陷生成的理论依据
1

§1-3 晶体缺陷的研究
1、 准化学平衡法
? ?
原理 原理——将缺陷生成看作是一种化学反应 将缺陷生成看作是 种化学反应 缺陷反应方程式的规则：
数必须相等
(1) 质量关系——原子数平衡，方程两边各种原子(或离子)的个 (2) 位置关系——格点数成正确比例，每增加a个M格点，须增加b 个X格点 (3) 电荷关系——电荷平衡，方程两边的总有效电荷必须相同(晶 体的电中性)
2

§1-2 陶瓷的晶体缺陷种类
1、弗兰克尔缺陷
在离子晶体中把离子从正常位置移入附近的间隙位置 在离子晶体中把离子从正常位置移入附近的间隙位置， 这样就形成弗兰克尔缺陷对。 AgCl晶体产生弗兰克尔缺陷对
X ? ' Ag A ? Ag A + V 反应式 反应式： Ag i Ag
弗兰克尔缺陷平衡浓度: ? UF+ ? + CF + = Z exp ? ? ? ? 2 k BT ? 注意，在写缺陷反应式时必须遵守 ①正负离子的相对比例不能变；②质量平衡； ③电的中性。 。 纯银化合物，如AgCl、AlBr，由于Ag+足够小，易于形成 3 填隙离子，因而以正离子弗兰克尔缺陷为主。

§1-2 陶瓷的晶体缺陷种类
AgCl晶体产生另一种弗兰克尔缺陷对
弗兰克尔缺陷平衡浓度:
CF ? ? UF? ? = Z exp ? ? ? k T 2 ? B ?
?
' ? 反应式： ClX ? Cl + V Cl Cl i
因为负离子的尺寸比正离子大得多，所以一般不形成这样的弗兰 因为负离子的尺寸比正离子大得多 所以 般不形成这样的弗兰 克缺陷对。 CaF2结构的CaF2和ThO2等以负离子弗兰克尔缺陷为主。 4

晶体缺陷概述

晶体缺陷概述 高康 （中南大学材料科学与工程学院长沙） 摘要晶体缺陷在材料科学中具有重要的理论和实践意义，本文概述了晶体缺陷的主要类型，包括空位、位错和界面等，以及它们的存在方式、运动、相互作用和实际应用等。 关键词晶体缺陷空位位错界面运动自由能 1 引言 在实际晶体中，原子排列并不都是规则和完整的，而是在某些区域存在着紊乱和不规则的排列，这些区域被统称为“晶体缺陷”。 通常，晶体缺陷可以分为三大类：点缺陷，属于零维缺陷，比如空位、间隙原子和异类原子等；线缺陷，属于一维缺陷，主要是位错；面缺陷，属于二维缺陷，比如晶界、相界、层错和表面等。 晶体缺陷在材料科学中具有重要意义，是材料设计和加工工艺的重要理论来源。 2点缺陷概述 在点缺陷中，最为普遍存在的是空位。空位可以根据形式方式分为两类，一种是Schottky 空位，这种空位是由于脱位原子进入其他空位或逐渐迁移至晶界或表面而形成的；另一种是Frenkel空位，这种空位是由于原来处于这个位置的原子挤入结点的空隙而形成间隙原子形成的。 空位是由于原子的热运动产生的，根据统计热力学原理，空位的浓度主要取决于温度，并且在一定的温度下存在着一定的平衡空位浓度。所谓的平衡空位浓度是指，在该浓度下，体系自由能是最低的。平衡空位浓度可以表示为Cv=A·exp（-u/k/T），其中A是材料常数，k是玻尔兹曼常数，T是体系的热力学温度，u是空位形成能。 空位不是静止不动的而是可以借助热激活产生迁移的，空位迁移的实质是周围原子的逆向运动，这种运动需要克服一个“势垒”，即空位迁移能。空位的迁移在实际应用中具有重大意义，晶体中原子的扩散过程与空位迁移有着千丝万缕的关系，空位机制是扩散微观机制中最为重要的一种，尤其是在置换固溶体的互扩散过程中，Kirkendall效应证明了这一点。在材料加工工艺过程中，如均匀化处理、化学热处理、时效等都与扩散有着紧密联系，提高工艺处理温度可以大幅度加快这些过程的速率，也正是基于空位浓度和迁移速度随温度上升而升高的规律。在高温下，空位的存在及其运动是晶体发生高温蠕变的重要原因之一。 3线缺陷概述 在线缺陷中，最普遍存在的事位错，基本类型是刃型位错和螺型位错，实际位错往往是两种位错的混合，称为混合位错。刃型位错是由一个多余半原子平面形成的线缺陷，其柏氏矢量垂直于位错线，形状可以是直线、折线和曲线；螺型位错是原子错排呈轴对称的一种线缺陷，其柏氏矢量平行于位错线，形状只能是直线。 位错线周围的原子偏离了平衡位置，点阵发生畸变，此畸变能的增量称为位错应变能。位错还会与周围的晶体缺陷发生交互作用：点缺陷在晶体中会引起点阵畸变，产生的应力场可与位错产生交互作用，通常把溶质原子与位错交互作用后，围绕位错而形成的溶质原子聚

浅谈晶体缺陷及其应用

浅谈晶体缺陷及其应用 摘要：晶体缺陷对晶体的力学性能既有有利的方面，也有不利的方面。少量晶体缺陷对于晶体的物理性能能够产生重要影响，所以可以根据不同的晶体缺陷，开发利用其产生的影响，充分发挥可能产生的作用，研究并制备具有不同性能的材料，以适应人们不同的实际需要和时代的发展需求。关键词：晶体缺陷; 性能; 铁磁性; 电阻; 半导体材料；杂质 引言：在讨论晶体结构时，我们认为晶体的结构是三维空间内周期有序的，其内部质点按照一定的点阵结构排列。这是一种理想的完美晶体，它在现实中并不存在，只作为理论研究模型。相反，偏离理想状态的不完整晶体，即有某些缺陷的晶体，具有重要的理论研究意义和实际应用价值。所有的天然和人工晶体都不是理想的完整晶体，它们的许多性质往往并不决定于原子的规则排列，而决定于不规则排列的晶体缺陷。 晶体缺陷对晶体生长、晶体的力学性能、电学性能、磁学性能和光学性能等均有着极大影响，在生产上和科研中都非常重要，是固体物理、固体化学、材料科学等领域的重要基础内容。研究晶体缺陷因此具有了尤其重要的意义。本文着重对晶体缺陷及其对晶体的影响和应用进行阐述。 1.晶体缺陷的定义和分类 1.1 晶体缺陷的定义 在理想的晶体结构中，所有的原子、离子或分子都处于规则的点阵结构的位置上，也就是平衡位置上。1926 年弗仑克尔l首先指出，在任一温度下，实际晶体的原子排列都不会是完整的点阵，即晶体中一些区域的原子的正规排列遭到破坏而失去正常的相邻关系。我们把实际晶体中偏离理想完整点阵的部位或结构称为晶体缺陷. 1.2 晶体缺陷的分类 1.2.1、按缺陷的几何形态分类可分为四类：点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷。 1.点缺陷（零维缺陷）：缺陷尺寸处于原子大小的数量级上，即三维方向上缺陷的尺寸都很小。包 括：空位（vacancy）、间隙原子（interstitial particle）、异类原子（foreign particle）。 点缺陷与材料的电学性质、光学性质、材料的高温动力学过程等有关。 2..线缺陷（一维缺陷）：指在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列所产生的缺陷，即缺陷尺寸在一维方向较长，另外二维方向上很短。线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性密切相关。 3.面缺陷：面缺陷又称为二维缺陷，是指在二维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列而产生的缺陷，即缺陷尺寸在二维方向上延伸，在第三维方向上很小。如晶界、相界、表面、堆积层错、镶嵌结构等。面缺陷的取向及分布与材料的断裂韧性有关。 4.体缺陷：也称为三维缺陷，指晶体中在三维方向上相对尺度比较大的缺陷，和基质晶体已经不属于同一物相，是异相缺陷。 固体材料中最基本和最重要的晶体缺陷是点缺陷，包括本征缺陷和杂质缺陷等。 1.2.2、按缺陷产生的原因分类： 热缺陷、杂质缺陷、非化学计量缺陷、其它原因（如电荷缺陷，辐照缺陷等）。 1.热缺陷

晶体中的缺陷

晶体中的缺陷及其对材料性能的影响 前言 晶体的主要特征是其中原子（或分子）的规则排列，但实际晶体中的原子排列会由于各种原因或多或少地偏离严格的周期性，于是就形成了晶体的缺陷，晶体中缺陷的种类很多，它影响着晶体的力学、热学、电学、光学等各方面的性质。晶体的缺陷表征对晶体 理想的周期结构的任何形式的偏离。 晶体缺陷的存在，破坏了完美晶体的有序性，引起晶体内能U和熵S增加。按缺陷在空间的几何构型可将缺陷分为点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷，它们分别取决于缺陷的延伸范围是零维、一维、二维还是三维来近似描述。每一类缺陷都会对晶体的性能产生很大影响，例如点缺陷会影响晶体的电学、光学和机械性能，线缺陷会严重影响晶体的强度、电性能等。 一、晶体缺陷的基本类型 点缺陷 1、点缺陷定义 由于晶体中出现填隙原子和杂质原子等等，它们引起晶格周期性的破坏发生在一个或几个晶格常数的限度范围内，这类缺陷统称为点缺陷。这些空位和填隙原子是由热起伏原因所产生的，因此又称为热缺陷。

2、空位、填隙原子和杂质 空位：晶体内部的空格点就是空位。由于晶体中原子热运动，某些原子振动剧烈而脱离格点跑到表面上，在内部留下了空格点，即空位。 填隙原子：由于晶体中原子的热运动，某些原子振动剧烈而脱离格点进入晶格中的间隙位置，形成了填隙原子。即位于理想晶体中间隙中的原子。 杂质原子：杂质原子是理想晶体中出现的异类原子。 3、几种点缺陷的类型 弗仑克尔缺陷：原子（或离子）在格点平衡位置附近振动，由于非线性的影响，使得当粒子能量大到某一程度时，原子就会脱离格点，而到达邻近的原子空隙中，当它失去多余动能后，就会被束缚在那里，这样产生一个暂时的空位和一个暂时的填隙原子，当又经过一段时间后，填隙原子会与空位相遇，并同空位复合；也有可能跳到较远的间隙中去。若晶体中的空位与填隙原子的数目相等，这样的热缺陷称为弗仑克尔缺陷。 肖特基缺陷：空位和填隙原子可以成对地产生(弗仑克尔缺陷），也可以在晶体内单独产生。若脱离格点的原子变成填隙原子，经过扩散跑到晶体表面占据正

晶体缺陷及其应用

晶体缺陷及其应用 摘要 少量晶体缺陷对于晶体的物理性能能够产生重要影响，所以可以根据不同的晶体缺陷，开发利用其产生的影响，充分发挥可能产生的作用，研究并制备具有不同性能的材料，以适应人们不同的实际需要和时代的发展需求。 关键词 晶体缺陷性能铁磁性电阻半导体材料 引言 在讨论晶体结构时，我们认为晶体的结构是三维空间内周期有序的，其内部质 点按照一定的点阵结构排列。这是一种理想的完美晶体，它在现实中并不存在，只 作为理论研究模型。相反，偏离理想状态的不完整晶体，即有某些缺陷的晶体，具 有重要的理论研究意义和实际应用价值。所有的天然和人工晶体都不是理想的完整 晶体，它们的许多性质往往并不决定于原子的规则排列，而决定于不规则排列的晶 体缺陷。 晶体缺陷对晶体生长、晶体的力学性能、电学性能、磁学性能和光学性能等均 有着极大影响，在生产上和科研中都非常重要，是固体物理、固体化学、材料科学 等领域的重要基础内容。研究晶体缺陷因此具有了尤其重要的意义。本文着重对晶体缺陷及其对晶体的影响和应用进行阐述。 1.晶体缺陷的定义和分类 1.1 晶体缺陷的定义 在理想的晶体结构中，所有的原子、离子或分子都处于规则的点阵结构的位置上，也就是平衡位置上。1926 年Frenkel 首先指出，在任一温度下，实际晶体的原 子排列都不会是完整的点阵，即晶体中一些区域的原子的正规排列遭到破坏而失去 正常的相邻关系。我们把实际晶体中偏离理想完整点阵的部位或结构称为晶体缺陷（defects of crystals）[1]。 1.2 晶体缺陷的分类 1.2.1、按缺陷的几何形态分类可分为四类：点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷。 1.点缺陷（零维缺陷）：缺陷尺寸处于原子大小的数量级上，即三维方向上缺陷的尺寸 都很小。包括：空位（vacancy）、间隙原子（interstitial particle）、异类原子（foreign particle）。 点缺陷与材料的电学性质、光学性质、材料的高温动力学过程等有关。 2..线缺陷（一维缺陷）：指在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列所产生的缺陷，即缺陷尺寸在一维方向较长，另外二维方向上很短。线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性密切相关。 3.面缺陷：面缺陷又称为二维缺陷，是指在二维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列而产生的缺陷，即缺陷尺寸在二维方向上延伸，在第三维方向上很小。如晶界、相界、表面、堆积层错、镶嵌结构等。面缺陷的取向及分布与材料的断裂韧性有关。[2] 4.体缺陷 也称为三维缺陷，指晶体中在三维方向上相对尺度比较大的缺陷，和基质晶体

晶体中的缺陷

第五章晶体中的缺陷 第五章要求 1掌握晶体缺陷的基本类型; 2能用热缺陷统计理论计算晶体中热缺陷的数目; 3熟悉缺陷扩散的两种微观机制,清楚为什么杂质的扩散系数大于晶体的自扩散系数; 4了解离子晶体点缺陷的特点以及导电机理. 晶体的主要特征是其中原子（或分子）的规则排列，但实际晶体中的原子排列会由于各种原因或多或少地偏离严格的周期性，于是就形成了晶体的缺陷，晶体中缺陷的种类很多，它影响着晶体的力学、热学、电学、光学等各方面的性质。晶体的缺陷表征对晶体 理想的周期结构的任何形式的偏离。 第一节晶体缺陷的基本类型 晶体缺陷的存在，破坏了完美晶体的有序性，引起晶体内能U和熵S增加。按缺陷在空间的几何构型可将缺陷分为点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷，它们分别取决于缺陷的延伸范围是零维、一维、二维还是三维来近似描述。每一类缺陷都会对晶体的性能产生很大影响，例如点缺陷会影响晶体的电学、光学和机械性能，线缺陷会严重影响晶体的强度、电性能等。

一、点缺陷 1、点缺陷定义 由于晶体中出现填隙原子和杂质原子等等，它们引起晶格周期性的破坏发生在一个或几个晶格常数的限度范围内，这类缺陷统称为点缺陷。这些空位和填隙原子是由热起伏原因所产生的，因此又称为热缺 陷。 2、空位、填隙原子和杂质 ■空位：晶体内部的空格点就是空位。由于晶体中原子热运动，某些原子振动剧烈而脱离格点跑到表面上，在内部留下了空格 点，即空位。 ■填隙原子：由于晶体中原子的热运动，某些原子振动剧烈而脱离格点进入晶格中的间隙位置，形成了填隙原子。即位于理想晶体中间隙中的原子。 ■杂质原子：杂质原子是理想晶体中出现的异类原子。 3、几种点缺陷的类型 ■弗仑克尔缺陷：原子（或离子）在格点平衡位置附近振动，由于非线性的影响，使得当粒子能量大到某一程度时，原子就 会脱离格点，而到达邻近的原子空隙中，当它失去多余动能后，

实际晶体缺陷类型及其特征

科研训练报告 题 目： 实际晶体中的缺陷分类及 其特征 学生姓名： 刘国进 学 院： 理学院 班 级： 电科10-1 指导教师： 哈斯花 2013年 9 月 9 日

一、国内外研究进展及研究意义 1.1 国内外研究现状和发展动态 20世纪初，X射线衍射方法的应用为金属研究开辟了新天地，使我们的认识深入到原子的水平；到30年代中期，泰勒与伯格斯等奠定了晶体位错理论的基础；50年代以后，电子显微镜的使用将显微组织和晶体结构之间的空白区域填补了起来，成为研究晶体缺陷和探明金属实际结构的主要手段，位错得到有力的实验观测证实；随即开展了大量的研究工作，澄清了金属塑性形变的微观机制和强化效应的物理本质。 1.2 研究意义 在晶体的生长及形成过程中，由于温度、压力、介质组分浓度等外界环境中各种复杂因素变化及质点热运动或受应力作用等其他条件的不同程度的影响会使粒子的排列并不完整和规则，可能存在空位、间隙粒子、位错、镶嵌结构等而偏离完整周期性点阵结构，形成偏离理想晶体结构的区域，我们称这样的区域为晶体缺陷，它们可以在晶格内迁移，以至消失，同时也可产生新的晶体缺陷。本文就晶体中所存在的各类缺陷做了详细说明，并且重点介绍了各类缺陷的成因及其特征。 1.3 主要参考文献 [1] 黄昆原著,韩汝琦固体物理学[M] 出版社:高等教育出版社ISBN:9787040010251 [2] 百度文库晶体缺陷https://www.wendangku.net/doc/eb13755541.html,/view/5728eb134431b90d6c85c730.html 二、研究内容及方案 2.1 研究内容 按照晶体缺陷的几何形态以及相对于晶体的尺寸，或其影响范围的大小，可将其分为以下几类： 1.点缺陷(point defects) 其特征是三个方向的尺寸都很小，不超过几个原子间距。如：空位(vacancy)、间隙原子(interstitial atom)和置换原子(substitutional atom)。除此以外，还有空位，间隙原子以及这几类缺陷的复合体等均属于这一类。这里所说的间隙原子是指应占据正常阵点的原子跑到点阵间隙中。 2.线缺陷（linear defects) 其特征是缺陷在两个方向上尺寸很小（与点缺陷相似），而第三方向上的尺寸却很大，甚者可以贯穿整个晶体，属于这一类的主要是位错(dislocation)。 3.面缺陷(interfacial defects) 其特征是缺陷在一个方向上的尺寸很小（同点缺陷），而其余两个方向上的尺寸很大。晶体的外表面(external surfaces)及各种内界面如：一般晶界(grain boundaries)、孪晶界(twin boundaries)、亚晶界

晶体缺陷论文

纳米晶金属与晶体缺陷 孟宪伟贵所学号：14080502234 摘要：本文介绍了纳米晶金属中观察到的负Hali-Petch斜率和优异的软磁特性 等材料物理问题, 并扼要阐述了导致这些反常现象的机制和晶体缺陷的重要作用。 关键词：晶体缺陷纳米晶非晶态软磁合金 Abstract:This article describes problems in materials physics such as negative Hali-Petch slope and excellent soft magnetic behavior in nanocry-stalline metals. Fundamental mechanizms.Leading to these abnormal phenomena and the important role played by crystal defects are also briefly expounded. Keywords: defect nanocrystal amorplous soft-magnetic 前言 完美和理想是人类有史以来所梦寐以求的圣洁境界, 也是每个具有良知的 个人毕生所追求的目标。但是, 臻于至美至善又谈何容易, 对自然界和人类社会所作的实际观察使古人早就认识到“金无足赤, 人无完人” ,甚至还得出了“水至清无鱼”之类素朴辨证的看法。自本世纪20 年代末起, 科学家们对金属单 晶的塑性变形进行了系统研究, 由此得出了一个使人大吃一惊的结果, 原来实 际晶体的屈服强度只是理想的完共晶体的理论强度的1 / 100 。左右!研究表明, 这是一种称为“晶体缺陷”的东西在作祟[ 1]。于是天真的人们想方设法要得到几乎没有块陷的称得上“理想”“完美”的晶体, 这导致了对晶须的研究。 纳米晶金属与晶体缺陷 由于“理想”的“完美”晶体象纯净的材料一样是很难得到的L后者是由热力学第二定律所决定的, 其实用意义并不太大辉煌的成果是由一些进行反 向思维的的聪明人得到的, 他们发现, 屈服强度对结构是十分敏感的, 也就是 说晶体缺陷对其有明显的影响。虽然对结构敏感性能的理论研究任务相当艰巨, 但功夫不负有心人, 当初谁也没有想到强度和强化理论的华彩乐章是用晶体缺 陷理论这一主旋律谱写而成的。于是人们不再冤枉地一味追求“理想”和“完美” , 而是去深入研究如何获得恰当的块陷组态和分布并掌握控制其运动的规律。说到强化, 细化晶粒是一个早为人们熟知并迄今广为利用的强` 韧、化方法, 在本世纪5 0 年代初从理论上作了总结, 并得到了如下式所表示的H a l l一P e t e h关系或方程、?=?0+Kd-1/2式中d是晶粒直径, o 是O.2% 屈服应力,是使单个位错运动所引起的点阵本擦应力, K是一个常数。 几十年来, Hall 一P ethc 关系对普通的粗品材料弋相对于下文所述的纳 米晶材料而言、几乎屡试不爽, 似乎成了“铁”的定则, 然而怪事发生了, 对近年来崭露头角的某些纳米品全属材料却出现了一时令人费解的结果。由上式可知, 届服强度将随晶粒尺寸的减小而增加,这就是细晶强化效应。但现在发现, 对某些纳米晶金属材料来说咬如纳米晶C u 、P d和N i一P , 强度却随晶粒尺寸 的减小而降低, 即出现了负斜率现象。这个反常现象自然成了一个研究热点。为了便于讨论这一反常现象, 以下先对纳米晶又金属、材料作一简介材料科学迄今取得的进展主要可分为两个方面。一是新的材料研究方法的开发和应用, 二是研