材料科学基础--点缺陷

2.2点缺陷本节介绍以下内容：一、点缺陷的符号表征：Kroger-Vink符号二、缺陷反应方程式的写法一、点缺陷的符号表征:Kroger-Vink符号点缺陷名称点缺陷所带有效电荷缺陷在晶体中所占的格点中性·正电荷负电荷以MX型化合物为例：1.空位（vacancy）用V来表示，符号中的右下标表示缺陷所在位置，VM含义即M原子位置是空的。2.间隙原子（interstitial）亦称为填隙原子，用Mi、Xi来表示，其含义为M、X原子位于晶格间隙位置。3.错位原子错位原子用MX、XM等表示，MX的含义是M原子占据X原子的位置。XM表示X原子占据M原子的位置。4.自由电子（electron）与电子空穴(hole）分别用e，和h·来表示。其中右上标中的一撇“，”代表一个单位负电荷，一个圆点“·”代表一个单位正电荷。5.带电缺陷在NaCl晶体中，取出一个Na+离子，会在原来的位置上留下一个电子e，，写成VNa’，即代表Na+离子空位，带一个单位负电荷;同理，Cl－离子空位记为VCl·，即代表Cl－离子空位，带一个单位正电荷。即：VNa’=VNa＋e，，VCl·=VCl＋h·其它带电缺陷：1)CaCl2加入NaCl晶体时，若Ca2+离子位于Na+离子位置上，其缺陷符号为CaNa·，此符号含义为Ca2+离子占据Na+离子位置，带有一个单位正电荷。2)CaZr,,表示Ca2+离子占据Zr4+离子位置，此缺陷带有二个单位负电荷。其余的缺陷VM、VX、Mi、Xi等都可以加上对应于原阵点位置的有效电荷来表示相应的带电缺陷。6.缔合中心电性相反的缺陷距离接近到一定程度时，在库仑力作用下会缔合成一组或一群，产生一个缔合中心，VM’和VX·发生缔合,记为（VM’VX·）。总结符号规则：P缺陷种类：缺陷原子M或空位VC有效电荷数P’负电荷·正电荷（中性）缺陷位置（i间隙）Max.C=P的电价–P上的电价有效电荷≠实际电荷。对于电子、空穴及原子晶体，二者相等；对于化合物晶体，二者一般不等。注：二、缺陷反应表示法对于杂质缺陷而言，缺陷反应方程式的一般式：1.写缺陷反应方程式应遵循的原则三个原则：（1）位置关系（2）质量平衡（3）电中性缺陷产生复合化学反应AB+C（1）位置关系：在化合物MaXb中，无论是否存在缺陷，其正负离子位置数（即格点数）的之比始终是一个常数a/b，即：M的格点数/X的格点数a/b。如NaCl结构中，正负离子格点数之比为1/1，Al2O3中则为2/3。注意：一．位置关系强调形成缺陷时，基质晶体中正负离子格点数之比保持不变，并非原子个数比保持不变。二．在上述各种缺陷符号中，VM、VX、MM、XX、MX、XM等位于正常格点上，对格点数的多少有影响，而Mi、Xi、e，、h·等不在正常格点上，对格点数的多少无影响。三．形成缺陷时，基质晶体中的原子数会发生变化，外加杂质进入基质晶体时，系统原子数增加，晶体尺寸增大；基质中原子逃逸到周围介质中时，晶体尺寸减小。（2）质量平衡：与化学反应方程式相同，缺陷反应方程式两边的质量应该相等。需要注意的是缺陷符号的右下标表示缺陷所在的位置，对质量平衡无影响。（V的质量=0）（3）电中性：电中性要求缺陷反应方程式两边的有效电荷数必须相等，晶体必须保持电中性。2.缺陷反应实例（1）杂质（组成）缺陷反应方程式──杂质在基质中的溶解过程杂质进入基质晶体时，一般遵循杂质的正负离子分别进入基质的正负离子位置的原则，这样基质晶体的晶格畸变小，缺陷容易形成。在不等价替换时，会产生间隙质点或空位。例1·写出NaF加入YF3中的缺陷反应方程式以正离子为基准，反应方程式为：以负离子为基准，反应方程式为：.FFYYFV2F''NaNaF3以正离子为基准，缺陷反应方程式为：以负离子为基准，则缺陷反应方程式为：'ClClCaCaCliCl.KKCl2ClK.KKCl2Cl2'VCaCaCl例2·写出CaCl2加入KCl中的缺陷反应方程式基本规律：低价正离子占据高价正离子位置时，该位置带有负电荷，为了保持电中性，会产生负离子空位或间隙正离子。高价正离子占据低价正离子位置时，该位置带有正电荷，为了保持电中性，会产生正离子空位或间隙负离子。例3·MgO形成肖特基缺陷MgO形成肖特基缺陷时，表面的Mg2+和O2-离子迁移到表面新位置上，在晶体内部留下空位:MgMgsurface+OOsurfaceMgMgnewsurface+OOnewsurface+以零O（naught）代表无缺陷状态，则：MgO形成肖特基缺陷：O..O''MgVV..O''MgVV（2）热缺陷反应方程式例4·AgBr形成弗仑克尔缺陷其中半径小的Ag+离子进入晶格间隙，在其格点上留下空位，方程式为：AgAg'Ag.iVAg当晶体中剩余空隙比较小，如NaCl型结构，容易形成肖特基缺陷；当晶体中剩余空隙比较大时，如萤石CaF2型结构等，容易产生弗仑克尔缺陷。一般规律：三、热缺陷浓度的计算在一定温度下，热缺陷是处在不断地产生和消失的过程中，当单位时间产生和复合而消失的数目相等时，系统达到平衡，热缺陷的数目保持不变。根据质量作用定律，可以利用化学平衡方法计算热缺陷的浓度。缺陷看作化学物质热缺陷浓度化学反应热力学数据化学平衡法热力学统计物理法质量定律三、热缺陷浓度的计算在一定温度下，热缺陷是处在不断地产生和消失的过程中，当单位时间产生和复合而消失的数目相等时，系统达到平衡，热缺陷的数目保持不变。化学平衡方法计算热缺陷浓度（1）MX2型晶体肖特基缺陷浓度的计算CaF2晶体形成肖特基缺陷反应方程式为：动态平衡G=－RTlnK又[O]=1，.''2FCaVVO][2][''.CaFVV][][4][]][[3''2.''OVOVVKCaFCa)3exp(41][3''RTGVCa（2）弗仑克尔缺陷浓度的计算AgBr晶体形成弗仑克尔缺陷的反应方程式为：AgAg平衡常数K为：式中[AgAg]1。又G=－RTlnK式中G为形成1摩尔弗仑克尔缺陷的自由焓变化。'.AgiVAg][]][['.AgAgiAgVAgK)2exp(][]['.RTGVAgAgi注意:在计算热缺陷浓度时，由形成缺陷而引发的周围原子振动状态的改变所产生的振动熵变，在多数情况下可以忽略不计。且形成缺陷时晶体的体积变化也可忽略，故热焓变化可近似地用内能来代替。所以，实际计算热缺陷浓度时，一般都用形成能代替计算公式中的自由焓变化。