材料科学基础术语

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1、第三章 晶体缺陷：实际晶体中原子排列的不规则性和不完整性。按几何形态可分为点缺陷、线缺陷、面缺 陷三类。点缺陷在三维方向上的尺寸都很小，一般不超过几个原子间距。线缺陷是二维方向上尺寸小，而 在一维方向上伸长呈线状分布的缺陷。面缺陷是一维方向上尺寸小，而在二维方向上伸长展开呈面状分布 的缺陷。晶界是晶体中一种重要的面缺陷，易受浸蚀，在显微镜下显示为晶体的轮廓。晶体缺陷的存在， 对金属物理、化学性能，特别是机械性能有显著的影响。 理想晶体：其内部具有严格空间点阵式的三维周期性结构的晶体称做理想晶体。 1 设是与空间点阵对应的一套线性无关的基向量，则与空间点阵对应的平移群(m，n，p=0， 1，2)

2、 高度 概括、表达了结构的三维周期性。 实际晶体：又称真实晶体。在形成晶体过程中，由于受种种复杂外界因素的影响而获得的非理想晶 体。实际晶体由于具有各种缺陷，而会引起硬度、延展性、电磁性等性质的变化。 点缺陷：晶格中一个或两个质点位置相对于晶格构造规律的偏离。一般有两种：缺位或空位，即 质点从晶格结点位置上通过扩散逸出形成空位；填隙缺陷，质点从原来的晶格结点位置移到晶格结点间 的间隙位置。空位缺陷和填隙缺陷均属于质点热运动产生的热缺陷，另外外来质点进入晶格也可以形成晶 体的点缺陷。点缺陷与它们所俘获的电子或空穴相结合形成色心。玻璃内部微观缺陷也借用晶体点缺陷的 概念。氢效应和辐射效应等会引起光

3、纤内玻璃的点缺陷从而使光纤的传输损耗产生明显的变化。 线缺陷：晶体中的一类缺陷，亦称为一维缺陷，主要指位错。在空间两个方向的尺寸和影响范围较 小，在另一个方向的尺寸和影响范围较大。线缺陷是最重要的一类晶体缺陷，对晶体的性能、相变、变形、 扩散、热处理等过程都有重大影响。由于线缺陷不是热力学平衡缺陷，故可以设法制得不存在线缺陷的晶 体。参见 “ 位错 ” 。 面缺陷：晶体中的一类缺陷。其特点是：在空间一个方向的尺寸较小，在另两个方向的尺寸较大， 故亦称为二维缺陷。面缺陷包括晶体的自由表面（外表面）和各种内部界面（相界、晶界、孪晶界、亚晶 界、层错界等）。面缺陷使晶体产生畸变和畸变能，在一定条件下

4、可以运动，并可以与其他缺陷（空位、位 错等）发生交互作用。面缺陷的存在对金属的性能及相变、扩散、变形、热处理等过程均有重大影响。 空位：在晶体中，原子是以格点平衡位置为中心振动着，一个原子的振动和周围原子的振动有密切的 关系。这使原子振动的能量服从麦克斯韦-玻尔兹曼几率分布，而呈现涨落现象。当某一原子能量大到一定 程度，就可能脱离正常的平衡位置，跑到邻近的原子孔隙中去，而在格点处形成空位。空位是点缺陷的一 种，它的热平衡浓度服从玻尔兹曼分布，浓度随着温度的升高而增加。晶体中的空位也称为肖特基缺陷 （Schottky defect）。这是一种热缺陷，是晶体中的原子或离子由于热运动离开了原来的晶格

5、位置后而留 下的空位置 晶格空位。这种缺陷在数量上是比间隙原子多得多的一种常见缺陷（因为产生间隙原子所 需要的能量较高）。空位与位错环的关系：由于空位是热缺陷，其数量与温度有指数函数关系；在高温下 数量很多，在低温下数量减少。但是如果晶体从高温降低到低温（退火）的速度过快，则将在晶体中保留 有许多空位，；当数个空位靠近时，即可能结合而成为一个较大的空位；而一旦这种大的空位塌陷下来， 就成为了一个位错环。因此，大量空位可以产生位错环，这对材料性能将造成很大的影响。 间隙原子：间隙原子指某个晶格间隙中挤进了原子。又称填隙子，是点缺陷的一种，是原子脱离其 平衡位置进入原子间隙而形成的。如果在点阵的间

6、隙位置挤进一个同类的原子，就形成了一个自间隙原子； 如果外来的杂质原子挤进了点阵的间隙位置，就形成了间隙式杂质原子。间隙原子在离子晶体的导电和扩 散中起着重要的作用，因为间隙杂质原子的存在会造成其附近的晶格畸变，整个晶体倾向膨胀。一般来说， 间隙杂质原子在晶格间隙间迁移时所需的激活能比较小，因此扩散速率比较快。从电学性质上看，这种杂 质具有一个共同点就是它们在禁带内具有深能级，影响电导率，成为复合中心或俘获中心。间隙子的热平 衡浓度服从玻尔兹曼分布，浓度随着温度升高而增加。 置换原子：占据在原来基体原子平衡位置上的异类原子。由于置换原子的大小与基体的大小原子不 可能完全相同，因此其周围邻近原子

7、也将偏离其平等位置，造成晶格畸变。置换原子在一定温度下也有一 个平等浓度值，一般称之为固溶度或溶解度。 位错：单晶体中原子排列错位。在理想单晶体中，原子是规则而周期地排列在固定位置上的。但在 生长单晶的过程中，由于外界因素（如振动、加热不均、容器约束等）的影响，晶体中若干原子往往会不 按正常位置排列而发生错位。如在应力作用下，晶体中的一部分沿着界面向某一方向滑移，从而在边界上 形成一定的畸变区。 1cm2 晶面上的位错数目或1cm3 体积内位错线的总长度称为位错密度，它是描述单晶 体结构完整程度的一个物理量。位错有的会影响材料载流子浓度，有的会降低半导体迁移率，有的则起复 合中心作用、缩短少数

8、载流子寿命。位错作为一种晶体缺陷不但会直接影响半导体材料的机械性能和电学 性能，而且会给器件的工艺制作带来困难。因此希望单晶材料的位错密度愈低愈好。 晶体表面：晶体表面不是简单的三维晶格的终止,而是一种特殊的相 表面相。在表面相中原子的 排列和化学组成与体内不完全相同。 晶界：一种金属内部的界面，指同种晶粒之间的界面。分为取向差小于10。的小角度晶界和取向差 大于 10 的大角度晶界。晶界上的原子排列比较紊乱，其结构和性能显著不同于晶粒内部。晶界厚度一般 为几个原子层厚。晶界是最重要的一种面缺陷，具有较高的能量与较大的活性，在一定条件下，晶界可以 运动，也可以与其他晶体缺陷发生交互作用。晶界的

9、其他特性参见“ 晶界特性 ” 。 相界：由结构不同或结构相同而点阵参数不同的两块晶体相交接而形成的界面。沉淀相与基体间、外延层 与衬底间、马氏体与母相间的界面均为相界。其中，两晶相间无一定位相关系者称非共格相界；两晶相同 保持一定位相关系，且沿界面有相同或相近原子排列者，称共格或准共格相界。C.S. 史密斯曾经对非共格 相界的能量进行过估计，结果表明其量级不大于大角度晶界。由于相界与晶体完整性、相变过程以及其他 许多性质间存在密切关系，尤其是准共格相界在外延生长及马氏体相变中的实际重要性，人们对相界的结 构进行了深入研究，F.C.夫兰克等用一简化模型进行理论处理，结果表明：当界面处两晶相的错配

10、度甚小 时，以纯弹性应变的方式容纳错配；当错配度较大时，则需引入相应的错配位错行列或网络以弛豫错配引 起的大部分弹性畸变，形成错配位错界面。模型所预期的结果不仅为皂泡筏模型（见图）的观测结果所证 实，而且由此模型出发对一些实际问题计算所得的结果，也已为近年来的电子显微镜直接观测结果所进一 步确证。此外，人们还利用这一理论结果，人为地控制减小错配度，在控制错配位错的分布或消除错配位 错方面取得了初步成功 平衡浓度 组态熵：又称混合熵。二种或多种粒子(原子、分子等 )混合后由于各种粒子在空间有多 种分布而引起的熵的增加s。常记作 Sm。根据热力学，S。=klnW 。w 是粒子在空间的分 布数 (或

11、热力学几率)。对于由n 个 A 原子和 (N 一 n)个 B 原子混合而成的二元晶体 Sm=klnW=kin(c )=kin (N! n!(N 一 n)!)=-kN clnc+(1-c)In(1-c)。式中 k 是玻尔兹曼常数， C是从 N 个原子中取出”个的组合。c=n N 是 A 原子的浓度 (原子分数 )。 振动熵：晶格振动的能量是量子化的。在绝对零度时， 晶格振动能最小， 为 1/2hv （h 为普朗克常数， v 为振动频率），称为零点振动能；温度升高后由于热振动加剧引起的熵的增量，称为振动熵，其数值S 可 按下式进行计算：S=klnW 式中 k 玻尔兹曼常数；W 热力学或然 空位形成

12、能： 迁移能：空位在晶体中迁移所必须具备的能量。由原子热振动提供。空位迁移能越小，则空位迁移 频率越高。空位迁移是金属中原子间扩散的主要机制。 刃型位错：晶体中的一种位错类型。其特征是位错线垂直于滑移方向，也与其柏氏矢量（参见“ 柏氏 矢量 ” ）垂直。刃型位错的模型见图。通常将晶体上半部分多出半排原子面的位错称为“ 正刃型位错 ” ，记作 -；将晶体下半部分多出半排原子面的位错称为“ 负刃型位错 ” ，记作 。在一定条件下，刃型位错可以滑 移或攀移，也可以与其他位错或其他晶体缺陷发生交互作用。正、负刃型位错在滑面上相遇，还可以相互 抵消。刃型位错周围存在应力场，引起晶格畸变，并往往在其周围富

13、集着溶质原子或杂质原子形成柯垂尔 气团。图 208 刃型位错 螺型位错：又称螺旋位错。一个晶体的某一部分相对于其余部分发生滑移，原子平面沿着一根轴线盘旋 上升，每绕轴线一周，原子面上升一个晶面间距。在中央轴线处即为一螺型位错。围绕位错线原子的位移 矢量称为滑移矢量或伯格斯(Burgers) 矢量，对于螺型位错，位错线平行于伯格斯矢量。 混合位错： 柏格斯矢量既不垂直也不平行于位错线的位错。即可认为是一个刃型位错和 一个螺型位错相叠加的位错。混合位错的位错线l 可以是直线、曲线和位错环，但其柏氏矢 量 b 与之夹角既不等于零，又不等于90。其滑移面惟一，为lb。对于直线型混合位错可 以分解位错线

14、使一个分量平行于b，另一个分量垂直于b，但用得不多。通常是分解b，使 b1 垂直于位错线，b11 乎行于位错线，前者为一刃位错，后者为一螺位错。 伯氏矢量：用来表示位错特征和强度的矢量。按右手法则作伯斯回路（参见“ 伯格斯回路 ” ）来确定， 记作 b。对刃型位错，伯格斯矢量与位错线垂直；对螺型位错，伯格斯矢量与位错线平行；混合型位错的 伯格斯矢量与位错线相交成一定角度，并可分解成刃型分量和螺型分量。位错线可以弯曲，但位错线上任 一段的伯格斯矢量相同，伯格斯矢量具有下述特性：与伯格斯回路的起点和途径无关；如果伯格斯回路中 包含几个位错，则伯格斯矢量等于这几个位错的伯格斯矢量之和；如果几个位错相

15、交于一点，则朝向节点 的各位错伯格斯矢量之和等于离开节点各位错伯格斯矢量之和（见图 12） 。图 12 伯格斯矢量的总和为零的 情况图 13 伯格斯回路示意图 柏氏回路 位错环：封闭的位错线。根据柏氏矢量的守恒性，一个位错环只有一个柏氏矢 量 6。因此，位错环不可能是纯螺型的，但它却可以是纯刃型的，此时l 和位错环所在 的平面垂直。 如果位错环所在平面就是晶体的滑移面，则它就可以在滑移面上滑移。滑移时 位错环各段都沿着该处的法线方向运动。因而位错环或是扩大，或是缩小。 如果位错环是纯 刃型的， 则它只可能在位错环与6 组成的柱面上滑移。但晶体的滑移面不可能是柱面，故这 样的位错环实际上是不能滑

16、移的。它只能在位位错密度 位错的滑移 位错的攀移 守恒运动 非守恒运动 应力场 应变能 线张力 交互作用 柯垂尔气团 史氏气团 位错的增殖 位错源 弗兰克瑞德源 位错塞积 位错的钮折 位错的割阶 全位错 部分 (不全 ) 位错 肖克莱不全 位错 弗兰克不全 位错 位错反应 扩展位错 层锗 层错能 固定位错 第四章 原子徙动 atomic migration ： 扩散通量 diffusion flux ：是指单位面积上单位时间内扩散传递的物质量，其单位为 kmol/m2s。可 用来表示一般扩散过程进行的快慢程度。 浓度梯度 concentration gradient ：当介面两侧溶液间存在浓度差时，在介面允许溶质自由通过的 条件下，高浓度侧与低浓度侧的溶质在空间上的分布是均匀递减的，此种浓度差在空间上的递减称为浓度 梯度。 菲克第一定律Fick s first law ：单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的扩散物质流量J 与截面处的浓度梯度dC/dx 成正比。其数学表达式为：J=-D(dC/dx) D称为 “ 扩散系