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主要内容 2.1 缺陷的发现 2.2 缺陷的分类 2.3 点缺陷 2.4 缺陷的化学平衡 2.5 缺陷化合物的合成 2.6 缺陷热力学 2.7 缺陷的实验表征 2.8 固溶体 2.9 非化学计量化合物 2.10 材料研究方法 2.1 缺陷的发现 1912年,科尔纳可夫发现二元及多元合金体系存在两种情况:道尔顿体和贝托莱体 1930年,申克和丁曼发现氧化物体系同样存在这种现象 Schottky和Wagner提出了缺陷模型;整比化合物或者单纯价键规则的化合物在热力学上并不占优 缺陷普遍存在,并赋予材料不同的磁、电、声、光、力学及热等物理性能 整比和非整比 道尔顿体:具有特定组成的化合物,在状态图的液相线上和固液相线上有一个符合整比的极大值,而且在其它性质与组成的等温线图上,存在一个奇异点。 贝托莱体:具有可变组成的固相 非计量化合物:根据统计热力学理论,在高于0K的温度下,每一种固体化合物均存在着组成在一定范围内变动的单一物相,严格按照理想化学整比组成或由单纯价键规则导出的化合物,并无热力学地位。(本征缺陷造成) 2.3 点缺陷 1.点缺陷种类 空位 间隙 替代原子或者杂质原子 2.点缺陷的表示方法 缺陷的表示方法-举例 替位: 空位: 间隙: 电子缺陷:e’, h. 3.分类表示 (1)热缺陷 Frenkel缺陷: Schottky缺陷: (2)电子缺陷 e’+h. 0 (3)杂质缺陷、替代缺陷 间隙: 阳离子: 单质取代(杂质、掺杂) 验证手段: 从原子和离子的大小判断 密度 材料性质(离子导体、n型或者p型载流子等) 高清晰透射电镜 4.缺陷缔合中心—缔合体 氯化钾中掺入氯化钙,缺陷: 缺陷缔合为: 由于缺陷之间的静电力作用 缔合看作化学反应, 有如下平衡: Z是配位数 f振动熵的改变 缺陷缔合体 5.色心 原来专门指碱金属卤化物晶体中固有的各类点缺陷的缔合体,现在已把它用于使绝缘体着色的包括杂质在内的所有缺陷。 碱金属卤化物晶体中的导带能级和价带能级之间带隙的典型值为9~10 eV,具有适当能量的光子可使卤离子释放出电子,同时产生空穴。这样,就会使一个电子从价带移入导带。 激子的产生 F色心 碱金属卤化物MX的各类色心 碱金属卤化物 MX 的各类色心 缺陷缔合体与光学性质的关系 碱金属卤化物在相应的碱金属蒸气中加热后,会发生变色。 这是由于晶体内离子的肖特基空位VCl(又称作?中心)与附着在晶体表面的金属原子电离后所释放出的电子缔合,生成[VCl + e’]缺陷缔合体。 缺陷缔合体[VCl + e’]中的电子可吸收可见光而激发到较高的能级状态,所以这种缔合缺陷是一种色中心,称作F中心。 氧化锌中间隙锌俘获电子会形成色心,使氧化锌呈亮红色。 在真空下,对浅蓝色蓝宝石退火及在氧气氛、高温下对深蓝黑色蓝宝石退火或其他处理方法,得到蓝色适中的高档次宝石。 光敏材料 6.局域能级----半导体材料 缺陷的存在破坏了晶体点阵的周期性,点缺陷周围的电子能级不同于正常点阵原子处的能级,因而在晶体的禁带中造成了能量高低不同的各种局域能级。这些缺陷通过和能带之间交换电荷,而发生电离,从而使晶体具有不同于纯晶体的电性。 什么是价带、导带及禁带? 施主缺陷 当VA族元素(如As)原子掺入Ge的晶体形成取代杂质缺陷AsGe×时,由于As的价电子数比Ge多一个,这样,当电子完全填满价带后,还多出一个电子,这个电子的能量要高于通常价带中的其它电子,因而这个与缺陷AsGe相联系着的电子的能级处于导带底以下的禁带之中。缺陷AsGe×上的这个电子很容易受激发而电离并跃迁到导带中,成为准自由电子,这样在缺陷AsGe处便形成一个正电中心。 施主缺陷 受主缺陷 受主缺陷 点缺陷局域能级 受主缺陷BSi×得到价带一个电子,变成Bsi’; Bsi’在禁带中形成了局域能级 施主缺陷AsGe× 失去一个电子到导带,变成AsGe?;AsGe×在禁带中形成了局域能级 无论受主与施主缺陷,它们局域能级都是带有电子时的状态 ZnO本征缺陷能级图( 计算的结果) 2.4 缺陷的化学平衡 晶体看成理想的固溶体,点缺陷当作溶质,固有组分当溶剂,点缺陷的形成与变化的过程可以看作—准化学过程。 缺陷是一种物种 书写缺陷方程应遵守以下原则: 1. 位置关系:例如MX晶体 M格点数/X格点数=定值(价键规律) ZrO2:M格点=[VM]+[MM]+[NM] X格点=[VO]+[OO]+[LO] Na
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