关于晶体缺陷介绍

[拼音]：jingti quexian

[外文]：crystal defect

实际晶体中偏离理想完整点阵的部位或结构。晶体中是否存在缺陷及其缺陷的多少，常常是晶体质量优劣的重要标志。晶体材料的电、磁、声、光、热和力学等物理性能都具有结构敏感特性。晶体缺陷是研究晶体结构敏感特性的关键问题和研究材料质量的核心问题。缺陷的存在常常给材料带来影响。因此，在晶体生长过程中如何控制缺陷的形成，是一个极其重要的研究课题。

晶体缺陷的种类繁多，一般按其几何线度分为点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷和电子缺陷等；也可按缺陷的形成和结构分类。

本征缺陷

指那些不含有外来杂质原子的点缺陷，如晶体的组成偏离定比定律、空位、间隙原子、错位等。基本的本征缺陷有两种。

在晶体中，原子一般以其平衡位置为中心作热振动，但当温度升高时，其中某些原子的振动加剧，脱离其平衡位置，进入结构间隙中，原来的位置变成空位。这时空位与间隙原子成对出现，数目相等，称为夫伦克耳缺陷（图1）。

在离子晶体中，通常负离子较正离子大得多，产生一个负离子的夫伦克耳缺陷所引起的晶格畸变，要比正离子夫伦克耳缺陷所引起的大得多，因此，离子的夫伦克耳缺陷主要是正离子的夫伦克耳缺陷。夫伦克耳缺陷的产生，既不会改变晶体的体积，也不会破坏晶体的电中性。

若晶体中的某一原子，脱离其平衡位置后，并不在晶体内部构成间隙原子，而跑到晶体表面上正常点阵位置，构成新的一层原子。这种在晶体内部只有空位而无间隙原子的本征缺陷，称为肖特基缺陷（图2）。

在离子晶体中，由于晶体电中性的要求，肖特基缺陷是由相等数量的正离子空位和负离子空位共同构成的。

杂质缺陷

杂质原子进入基质晶体中构成的缺陷。可分为两类。

一种杂质原子能否进入基质晶体中以取代其中某种原子，取决于取代时的能量效应是否有利。杂质原子应当到与它的电负性相近的原子位置上去；若晶体的各组成原子的电负性彼此相差不大，或杂质原子的电负性介于它们之间时，则杂质原子的大小等几何因素起主要作用。如果外来的杂质原子以离子化的形式存在，当杂质离子的价态和它所取代的基质晶体中的离子的价态不同时，则会带有额外电荷，这些额外电荷必须同时由具有相反电荷的其他杂质离子来加以补偿，以保持整个晶体的电中性，从而使掺杂反应得以进行(图3)。

杂质原子进入基质晶体原子间隙位置时，一般并不改变基质晶体原有的结构（图4）。杂质原子能否进入晶体原子间隙，主要取决于原子的体积效应，只有那些半径较小的原子或离子才能形成间隙式杂质缺陷。

不完整晶体

具有杂质缺陷和其他种种缺陷的晶体的统称。在实际晶体中，总是或多或少地存在着杂质缺陷或其他缺陷。因此，实际晶体都是不完整晶体。理想完整晶体在自然界中实际上是不存在的，但对实际晶体的研究多以理想完整晶体为依据。

研究金属晶体对 X射线衍射强度时引进的概念。为了使衍射强度的理论值与实验值相吻合，设想晶体是由大小不超过10-4厘米、旋转约1°左右的一些小晶块镶嵌而组成的。后称此种结构为镶嵌结构。实际上，它是三维位错网络构成的小角晶界，或由亚晶界组成（图5）。

这种位错网络在热力学上虽然不稳定，但在力学上还是稳定的。因此，若使晶体长期地进行退火，可使总的位错密度降低，但网络很难完全消除。这种结构在熔体生长的晶体中和形变后不完全退火的晶体中，最易观察到。

合金或固溶体AB的结构型式，基本与单质A或单质B晶体相同，不同之处在于一部分原子A或B分别为原子B或A统计地置换。于是在合金或固溶体AxB1-x中，每一个晶体点阵位置上存在着原子A的几率为x，存在着原子B的几率则为1-x。这样的原子在很多效应上相当于一个统计原子AxB1-x。此种合金或固溶体AxB1-x的结构称为AB的无序结构。

晶体从无序结构转化为有序结构的过程，称为有序化；反方向的过程，称为无序化。这两种过程统称为有序-无序转化（图6）。

指晶体内十纳米至几千纳米范围内的结构。在微区结构中晶体的组成、物理化学性质、衍射效应和晶体学特征等均应相同。晶体作微区（选区）电子衍射时，可以把晶体试样的像与衍射图对照进行分析，得出有用的晶体学数据，例如微小沉淀相的结构、取向和惯态面，各种晶体缺陷和晶体学特征等。

双晶

两个同一品种的晶体(组成与结构相同)成不平行连生时，如果在相邻的两个个体之中，一个个体恰好为另一个体的映像或者是由另一个个体回转 180°而成者，则这样的两个个体的规则连生晶体，称为双晶。晶体生长中时常会出现双晶。例如，水晶常见的双晶有两种：一种是电学双晶，另一种是光学双晶。

由两个左形个体或两个右形个体水晶连生在一起而形成，二者相位差为180°，电轴正、负相重合，因此失去压电效应，故称为电学双晶（图7）。

一个左形个体和一个右形个体水晶连生在一起而形成，二者呈镜像对称，失去了旋光特性，因此称为光学双晶（图8）。

孪晶

孪晶是一种复合晶体，晶体中的各个个体部分相互关联成确定的晶体学关系，具有复合面(面网)或复合轴(点列)。按照相对取向由两个个体晶体复合成的晶体，称为双晶；由三个或更多个个体晶体复合的晶体，称为孪晶。晶体生长过程中形成的孪晶，称为生长孪晶；由机械变形形成的孪晶，称为机械孪晶或形变孪晶。

参考书目

1. W. Bollman， Crystal Defect， Springer-Verlag， Berlin，1970.