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1、晶体理论简述,自然界中物质的存在有三种状态：气态、液态、固态。固体又可分为两种存在形式：晶体和非晶体。,1.晶体结构的特征与晶格理论,一、晶体结构特征和类型,非晶体：内部微粒在空间作无规则排列构成的固体。,晶体：内部微粒(原子、分子或离子)在空间按一定规律周期性排列构成的固体。,晶体,非晶体,晶体结构示意图 按周期性规律重复排列,非晶体结构示意图,将晶体内的微粒视为几何上的点,这些点所组成的几何构型称为晶格。而微粒所占有的位置称为晶格结点。,晶胞：晶体的最小重复单元，一般说来，晶胞都是平行六面体。晶体：通过晶胞在空间平移无隙地堆砌而成。,晶体结构：具有物质内容的空间点阵结构。,空间点阵及晶胞的
2、不同取法,由晶格常数a，b，c，表示，a，b，c 为六面体边长，分别是bc ca,ab 所形成的三个夹角。,晶胞的两个要素：,(1)晶胞的大小与形状：,(2)晶胞的内容：粒子的种类，数目及它在晶胞中的相对位置。按晶格常数的差异将晶体分成七种晶系。,按带心型式分类，将七大晶系分为14种型式。例如，立方晶系分为简单立方、体心立方和面心立方三种型式。,晶格的14种型式,简单立方,体心立方,面心立方,简单四角,体心四方,简单六角,简单菱形,简单正交,底心正交,体心正交,面心正交,简单单斜,底心单斜,简单三斜,单晶：单个晶体构成的物体。在单晶体中所有晶胞均呈相同的位向。,多晶：由许多晶体(晶粒)构成的物
3、体。或者说多晶体是由许多取向不同而随机排布的小晶体组成。,2.晶面和密勒指数,在晶体物质中，原子在三维空间中作有规律的排列。因此在晶体中存在着一系列的原子列或原子平面，晶体中原子组成的平面叫晶面，原子列表示的方向称为晶向。晶体中不同的晶面和不同的晶向上原子的排列方式和密度不同，构成了晶体的各向异性。这对分析有关晶体的生长、变形、相变以及性能等方面的问题时都是非常重要的。因此研究晶体中不同晶向晶面上原子的分布状态是十分必要的。为了便于表示各种晶向和晶面，需要确定一种统一的标号，称为晶向指数和晶面指数，国际上通用的是密勒指数。,（1)晶面平面点阵所处的平面，可以利用三个互质的整数来描述空间一组互相
4、平行平面的方向,（）密勒指数、晶面指数密勒指数是指平面和三个晶轴相交截数的倒数的互质比，代表一族相互平行的平面点阵。晶面指标(h k l)是简单的互质整数比，在晶体中有些晶面具有共同的特点，其上原子排列和分布规律是完全相同的，晶面间距也相同，唯一不同的是晶面在空间的位向，这样的一组等同晶面称为一个晶面族，用符号hkl表示。,A,B,C,D,E,F,G,H,-,（3）晶向指数是按以下几个步骤确定的：1以晶胞的某一阵点为原点，三个基矢为坐标轴，并以点阵基矢的长度作为三个坐标的单位长度；2过原点作一直线OP，使其平行于待标定的晶向AB，这一直线必定会通过某些阵点；3在直线OP上选取距原点O最近的一个
5、阵点P，确定P点的坐标值；4将此坐标值乘以最小公倍数 化为最小整数h、k、l，加上 方括号，hkl 即为AB晶向的 晶向指数。如果h、k、l中某一数为负值，则将负号标注在该数的上方。,在立方晶系中，具有相同指数的晶向和晶面必定是相垂直的，即hkl 垂直于（hkl）。例如：100 垂直于（100），110 垂直于（110），111 垂直于（111）等等。但是，此关系不适用于其它晶系。,(1)离子晶体,3.晶体类型,(2)原子晶体,(5)混合型晶体,(3)分子晶体,(4)金属晶体,硅的晶体结构：,面心立方型的金刚石结构,每个原子最邻近的四个键合原子，是位于该原子为中心的正四面体角落上。,硅单晶（1
6、00）方向的球极平面投影图,晶体缺陷：晶体中某些区域粒子的排列不象理想晶体那样规则和完整，这种偏离完整性的区域，或者说晶体中一切偏离理想的晶格结构称做晶体缺陷。,二、晶体缺陷,、按照缺陷的形成和结构分类：本征缺陷(固有缺陷)：指不是由外来杂质原子形成，而是由于晶体结构本身偏离晶格结构造成的缺陷。杂质缺陷：指杂质原子进入基质晶体中所形成的缺陷。,按照缺陷的几何特征分类：点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷。,（）点缺陷：晶格结点粒子发生局部错乱的现象。按引起点缺陷的粒子不同，可分为：错位粒子、间隙粒子、替位粒子和空位。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。,替位粒子缺陷,间隙粒
7、子缺陷,空位缺陷,错位粒子缺陷,本征缺陷,杂质缺陷,线缺陷：晶体中某些区域发生一列或若干列粒子有规律的错排现象称为线缺陷。线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性密切相关。线缺陷有两种基本类型：刃型位错 螺型位错,（）线 缺 陷,理想晶体原子面堆积,含有刃型位错晶体原子面堆积,含有螺型位错晶体原子面堆积,（）面 缺 陷,面 缺 陷：由点缺陷或面缺陷造成晶格中可能缺少整个一层的粒子,形成了层错现象;也可以看成是整个一层的粒子所构成的晶面错开形成的缺陷。面缺陷的取向及分布与材料的断裂韧性有关。按照两侧晶体间的几何关系，面缺陷可分为：平移界面(堆垛层错)孪晶界面 位错界面(晶粒边界),（）体 缺 陷,体
8、 缺 陷：由点缺陷或面缺陷造成在完整的晶格中可能存在着空洞或夹杂有包裹物等,使晶体内部的空间晶格结构整体上出现了一定形式的缺陷。,、按缺陷产生的原因分类,1.热缺陷2.杂质缺陷3.非化学计量缺陷4.其它原因，如电荷缺陷，辐照缺陷等,（1）热缺陷,定义:热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:弗仑克尔缺陷和肖特基缺陷 热缺陷浓度与温度的关系:温度升高时，热缺陷浓度增加,热缺陷产生示意图,（a）弗仑克尔缺陷的形成（空位与间隙质点成对出现）,（b）单质中的肖特基缺陷的形成（只有空位）,（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
9、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。,（4）其它缺陷，如电荷缺陷，辐照缺陷等,三、晶体生长理论简介,从宏观角度看，晶体生长过程是晶体 环境相(蒸气、溶液、熔体)界面向环境相中不断推移的过程，也就是由包含组成晶体单元的母相从低秩序相向高度有序晶相的转变。从微观角度来看，晶体生长过程可以看作一个“基元”过程，所谓“基元”是指结晶过程中最基本的结构单元，也叫成核。从广义上说，“基元”可以是原子、分子、也可以是具有
10、一定几何构型的原子(分子)聚集体。所谓的“基元”过程包括以下主要步骤：,(1)基元的形成：在一定的生长条件下，环境相中物质相互作用，动态地形成不同结构形式的基元，这些基元不停地运动并相互转化，随时产生或消失。(2)基元在生长界面的吸附：由于对流，热力学无规则运动或原子间吸引力，基元运动到界面上并被吸附。(3)基元在界面的运动：基元由于热力学的驱动，在界面上迁移运动。(4)基元在界面上结晶或脱附：在界面上依附的基元，经过一定的运动，可能在界面某一适当的位置结晶并长入固相，或者脱附而重新回到环境相中。,均匀成核：在体系内任何部位成核率是相等的。非均匀成核：在体系的某些部位（杂质、容器壁）的成核率高于另一些部位。,一旦晶核形成后，就形成了固液界面，在界面上就要进行生长，即组成晶体的原子、离子要按照晶体结构的排列方式堆积起来形成晶体。,螺旋生长理论模型,最佳生长位置是三面凹角位，其次是两面凹角位，最不容易生长的位置是平坦面。,
