nullnull第三章
晶体结构缺陷null无机
工艺的回顾:扩散、相变、固相反应、烧结等原料产品热过程 晶体(缺陷)熔体玻璃条件相图热力学动力学null《无机材料科学基础》 陆佩文主编
武汉工业大学出版社
《硅酸盐物理化学》 陆佩文主编
东南大学出版社
《硅酸盐物理化学》丁子上等主编
中国建筑工业出版社
《无机材料物理化学》叶瑞伦主编 天津大学
《玻璃物理化学导论》P.贝尔塔等著
中国建筑工业出版社
参考教材:第三章 晶体的结构缺陷第三章 晶体的结构缺陷总述——
1、缺陷产生的原因——热震动
杂质
2、 缺陷定义——实际晶体与理想晶体相比有一定程度的偏离或不完美性, 把两种结构发生偏离的区域叫缺陷。
3、研究缺陷的意义——导电、半导体、发色(色心)、发光、扩散、烧结、固相反应………。(材料科学的基础)
4、 缺陷分类——点缺陷、线缺陷、面缺陷
null第一节 点缺陷
一、类型
A 根据对理想晶体偏离的几何位置来分,有三类:空 位填 隙 原 子杂 质 原 子正常结点位置没有被质点占据,称为空位。质点进入间隙位置成为填隙原子。杂质原子进入晶格(结晶过程中混入或加入,一般不大于1%,)。进入间隙位置—间隙杂质原子
正常结点—取代(置换)杂质原子。固溶体nullB 根据产生缺陷的原因分热 缺 陷 杂 质 缺 陷 非化学计量结构缺陷(电荷缺陷)null1、热缺陷:当晶体的温度高于绝对0K时,由于晶格内原子热运动,使一部分能量较大的原子离开平衡位置造成的缺陷。
(1) Frankel缺陷
特点 —— 空位和间隙成对产生 ;晶体密度不变。 例 : 纤锌矿结构ZnO晶体,Zn2+ 可以离开原位进入间隙,
此间隙为结构中的另一半“四孔”和“八孔”位置。
从能量角度分析:图示nullFrankel缺陷的产生回null(2) Schttky缺陷正常袼点的原子由于热运动跃迁到晶体
面,在晶体内正常格点留下空位。Schttky缺陷形成的能量小Frankel 缺陷形成的能量因此对于大多数晶体来说,Schttky 缺陷是主要的。特点——形成—— 从形成缺陷的能量来分析—— 热缺陷浓度表示 :对于离子晶体,为保持电中性,正离子空位和负离子空位成对产生,晶体体积增大 例子nullSchottky缺陷的产生回null2 杂质缺陷
概念——杂质原子进入晶体而产生的缺陷。原子进入晶体的数量一般小于0.1%。
种类——间隙杂质
置换杂质
特点——杂质缺陷的浓度与温度无关,
只决定于溶解度。
存在的原因——本身存在
有目的加入(改善晶体的某种性能)null3 非化学计量结构缺陷(电荷缺陷)
存在于非化学计量化合物中的结构缺陷,化合物化学组成与周围环境气氛有关;不同种类的离子或原子数之比不能用简单整数表示。如: ;非化学计量缺陷电荷缺陷价带产生空穴
导带存在电子附加
电场周期排列不变
周期势场畸变
产生电荷缺陷二、缺陷化学反应表示法二、缺陷化学反应表示法 用一个主要符号表明缺陷的种类
用一个下标表示缺陷位置
用一个上标表示缺陷的有效电荷
如“ . ”表示有效正电荷; “ / ”表示有效负电荷;
“×”表示有效零电荷。
用MX离子晶体为例( M2+ ;X2- ):
(1)空位:
VM 表示M原子占有的位置,在M原子移走后出现的空位;
VX 表示X原子占有的位置,在X原子移走后出现的空位。1. 常用缺陷表示方法:null把离子化合物看作完全由离子构成(这里不考虑化学键性质),则在 NaCl晶体中,如果取走一个Na+ 晶格中多了一个e, 因此VNa 必然和这个e/相联系,形成带电的空位——同样,如果取出一个Cl- ,即相当于取走一个Cl原子加一个e,那么氯空位上就留下一个电子空穴(h. )即 null(2) 填隙原子:用下标“i”表示
Mi 表示M原子进入间隙位置;
Xi 表示X原子进入间隙位置。
(3)错放位置(错位原子):
MX 表示M原子占据了应是X原子正常所处的平衡位置,不表示
占据了负离子位置上的正离子。 XM 类似。
(4)溶质原子(杂质原子):
LM 表示溶质L占据了M的位置。如:CaNa
SX 表示S溶质占据了X位置。
(5)自由电子及电子空穴:有些情况下,价电子并不一定属于某个特定位置的原子,在光、电、热的作用下可以在晶体中运动,原固定位置称次自由电子(符号e/ )。同样可以出现缺少电子,而出现电子空穴(符号h. ),它也不属于某个特定的原子位置。null(6)带电缺陷
不同价离子之间取代如Ca2+取代Na+——Ca ·Na
Ca2+取代Zr4+——Ca”Zr(7) 缔合中心
在晶体中除了单个缺陷外,有可能出现邻近两个缺陷互相缔合,把发生 缔合的缺陷用小括号表示,也称复合缺陷。
在离子晶体中带相反电荷的点缺陷之间,存在一种有利于缔合的库仑引力。
如:在NaCl晶体中,null2
写点缺陷反应式的
(1)位置关系:
对于计量化合物(如NaCl、Al2O3),在缺陷反应式中作为溶剂的晶体所提供的位置比例应保持不变,但每类位置总数可以改变。
例: 对于非化学计量化合物,当存在气氛不同时,原子之间的比
例是改变的。
例:TiO2 由 1 : 2 变成 1 : 2-x (TiO2-x )K : Cl = 2 : 2null (2) 位置增殖
形成Schttky缺陷时增加了位置数目。
能引起位置增殖的缺陷:空位(VM)、错位(VX)、置换杂质原子( MX 、XM)、表面位置(XM)等。
不发生位置增殖的缺陷:e/ , h. , Mi , Xi , Li等。
当表面原子迁移到内部与空位复合时,则减少了位置数目(MM 、XX)。
(3)质量平衡
参加反应的原子数在方程两边应相等。
(4)电中性
缺陷反应两边总的有效电荷必须相等。
(5)表面位置
当一个M原子从晶体内部迁移到表面时,用符号MS表示。S 表示表面位置。在缺陷化学反应中表面位置一般不特别表示。null(1)缺陷符号
缺陷的有效电荷是相对于基质晶体的结点位置而言的,
用“.”、“/”、“×”表示正、负(有效电荷)及电中性。 K+的空位,对原来结点位置而言,少了一个正电荷,
所以空位带一个有效负电荷。杂质Ca2+取代Zr4+位置,与原来的Zr4+比,少2个正电荷,
即带2个负有效电荷。杂质离子Ca2+取代Na+位置,比原来Na+高+1价电荷,
因此与这个位置上应有的+1电价比,缺陷带1个有效正电荷。
杂质离子K+与占据的位置上的原Na+同价,所以不带电荷。Na+ 在NaCl晶体正常位置上(应是Na+ 占据的点阵位置〕,
不带 有效电荷,也不存在缺陷。小结null 表示 Cl-的空位,对原结点位置而言,少了一个负电荷,所以
空位带一个有效正电荷。
计算公式:
有效电荷=现处类别的既有电荷-完整晶体在同样位置上的电荷
( 2) 每种缺陷都可以看作是一种物质,离子空位与点阵空位
(h。)也是物质,不是什么都没有。空位是一个零粒子。null3 写缺陷反应举例
(1) CaCl2溶解在KCl中表示KCl作为溶剂。
以上三种写法均符合缺陷反应规则。
实际上(1-1)比较合理。null(2) MgO溶解到Al2O3晶格中(1-5〕较不合理。因为Mg2+进入间隙位置不易发生。null 练习 写出下列缺陷反应式:
(1) MgCl2固溶在LiCl晶体中(产生正离子空位,生成置换型SS)
(2) SrO固溶在Li2O晶体中(产生正离子空位,生成置换型SS)
(3) Al2O3固溶在MgO晶体中(产生正离子空位,生成置换型SS)
(4) YF3固溶在CaF2晶体中(产生正离子空位,生成置换型SS)
(5) CaO固溶在ZrO2晶体中(产生负离子空位,生成置换型SS)null 三、 热缺陷浓度计算
若是单质晶体形成热缺陷浓度计算为: 若是MX二元离子晶体的Schttky缺陷,因为同时出现正离子
空位和负离子空位,热缺陷浓度计算为:null四、 点缺陷的化学平衡
缺陷的产生和回复是动态平衡,可看作是一种化 学平衡。
1 、Franker缺陷:如AgBr晶体中 当缺陷浓度很小时, 因为填隙原子与空位成对出现,故有null(2) Schtty缺陷: 例: MgO晶体null定义——
形成条件:结构类型相同,
化学性质相似,
置换质点大小相近。第二节 固 溶 体易于形成按溶解度大小可分为:连续固溶体有限固溶体
形成史:(1) 在晶体生长过程中形成
(2)在熔体析晶时形成
(3)通过烧结过程的原子扩散而形成
几个概念区别——固溶体、化合物、混合物。
从热力学角度分析—— null 由 G= H-T S关系式讨论:
(1) 溶质原子溶入溶剂晶格内,使H大大提高——不能生成SS。(2)溶质原子溶入溶剂晶格内——大大地降低H ,系统趋向于形成一个有序的新相,即生成化合物。
(3)溶质原子溶入溶剂晶格内——H没有大的升高,而使熵 S增加,总的能量 G下降或不升高,生成固溶体) 。固溶后并不破坏原有晶体的结构。null例如:
Al2O3晶体中溶入0.5~2Wt%的Cr3+后,由刚玉转变为有激光性能的红宝石;
PbTiO3和PbZrO3固溶生成锆钛酸铅压电陶瓷,广泛应用于电子、无损检测、医疗等技术领域。
Si3N4和Al2O3之间形成sialon固溶体应用于高温结构材料等。沙隆陶瓷性质特点: 高温强度大,低温强度小
工业玻璃析晶时,析出组成复杂的相都是简单化合物的SS。 null 1、固溶体的分类
(1) 按溶质原子在溶剂晶格中的位置划分:间隙型固溶体、换型固溶体
特点:形成间隙型固溶体体积基本不变或略有膨胀;
形成置换型固溶体后体积应比基质大。
(2) 按溶质原子在溶剂晶体中的溶解度分类 : 连续型固溶体、 有限型固溶体
特点:对于有限型固溶体,溶质在有限范围内
溶解度随温度升高而增加。null2. 形成置换固溶体的条件和影响溶解度因素:(1) 离 子 大 小(2) 晶体的结构类型(3) 离 子 电 价(4) 电 负 性 2、置换型固溶体 2、置换型固溶体 (1)离子大小
相互取代的离子尺寸越接近,就越容易形成固溶体;
原子半径相差越大,溶解度越小。
若以r1和r2分别代表溶剂或溶质离子半径,则: <15% 形成连续固溶体
15%~30% 形成有限固溶体
>30% 不能形成固溶体null(2) 晶体的结构类型
形成连续固溶体,两个组分应具有相同的晶体结构或化学式类似。
MgO和NiO、Al2O3和Cr2O3、 Mg2SiO4和Fe2SiO4、
PbZrO3和PbTiO3的Zr4+(0.072nm)与Ti4+(0.061nm),比值 :在石榴子石Ca3Al2(SiO4)3和Ca3Fe2(SiO4)3中,均为孤岛状结构,Fe3+和Al3+能形成连续置换,因为它们的晶胞比氧化物大八倍,结构的宽容性提高。
Fe2O3和Al2O3(0.0645nm和0.0535nm),比值 : 虽然结构同为刚玉型,但它们只能形成有限固溶体;高温立方相稳定,所以为连续SSnullTiO2和SiO2结构类型不同,不能形成连续SS,但能形成有限的 SS。
在钙钛矿和尖晶石结构中,SS特别易发生。它们的结构 基本上是——较小的阳离子占据在大离子的骨架的空隙 里,只要保持电中性,只要这些阳离子的半径在允许的界限内,阳离子种类无关紧要的。null (3)离子电价——离子价相同或离子价态和相同,这形成连续固溶体。 例如—— 复合钙钛矿型压电陶瓷材料(ABO3型)中,钠长石Na[AlSi3O8]——钙长石Ca[Al2Si2O8], 离子电价总和为+5价:null(4)电负性
电负性相近——有利于SS的形成,
电负性差别大——趋向生成化合物。
Darken认为电负性差 < 0.4 的,一般具有很大的固溶度,是固溶溶解度大小的一条边界。
比离子半径相对差<15%的规律重要!因为离子半径相对差>15%的系统中,90%以上是不能生成SS的。
总之,对于氧化物系统,SS的生成主要决定于离子尺寸与电价的因素。nullnull3、置换型固溶体的“组分缺陷”
定义:当发生不等价的置换时,必然产生组分缺陷,
即——产生空位或进入空隙。
影响缺陷浓度因素:取决于掺杂量(溶质数量)和固溶度。其固溶
度仅百分之几。
例如:
(1) 产生阳离子空位
(2) 出现阴离子空位null(1) 产生阳离子空位
用焰熔法制备镁铝尖晶石——得不到纯尖晶石,而生成“富Al尖晶石”。原因——尖晶石与Al2O3形成SS时存在2Al3+置换3Mg2+的不等价置换。缺陷反应式为: 若有0.3分数的Mg2+被置换,则尖晶石化学式可写为
[Mg0. 7Al0.2(VMg)0.1]Al2O4 ,则每30个阳离子位置中有1个空位。null(2)出现阴离子空位。如CaO加入到ZrO2中,缺陷反应式为:加入CaO的原因:
由于在1200℃时ZrO2有单斜 四方的晶型转变,伴有很大的体积膨胀,而不适用于耐高温材料。若添加CaO使它和ZrO2形成立方CaF2型SS,则无晶型转变,成为一种极有价值的高温材料,叫稳定化氧化锆。null小结
在不等价置换固溶体中,可能出现的四种“组分缺陷” 以上四种究竟出现哪种,必须通过实验测定来确定。低价置换高价高价置换低价null4、间隙型固溶体
定义:若杂质原子较小,能进入晶格间隙位置内。
影响因素: (1)溶质原子的大小和溶剂晶体空隙大小
例:MgO只有四面体空隙可以填充。
TiO2结构中还有 1/2 “八孔”可以利用。
CaF2中有1/2“立方体空隙”可以被利用。
沸石,由硅、铝氧四面体组成的架比长石敞开得多,有很多大小均一的空洞和孔道为阳离子和水分子所占据,结合很松,水可以可逆的脱附,阳离子也容易发生可逆的离子交换。片沸石结构式为 Ca4[(AlO2)8(SiO2)28].24H2O
则晶体形成间隙固溶体的次序必然是:
片沸石>CaF2>TiO2>MgOnull(2)保持结构中的电中性:
a. 原子填隙:例如C在Fe中间隙SS。过渡元素与C、B、N、Si等形成的硫化物、硼化物、氮化物、硅化物等本质是SS。在金属结构中,C、 B、N、 Si占据“四孔”和“八孔”,称金属硬质材料,它们有高硬或超硬性能,熔点极高。
例如:HfC(碳化铪) m.p=3890℃
TaN(氮化钽) m.p=3090℃
HfB2(硼化铪) m.p=3250℃
80%mol TaC+20%mol HfC m.p=3930℃
b. 离子填隙
阳离子填隙:阴离子填隙:第三节 固溶体的研究方法第三节 固溶体的研究方法 最基本的方法:用x射线结构分析测定晶胞
,并测试SS的密度和光学性能来判别SS的类型。
举例:CaO加到ZrO2中,在1600℃该固溶体为立方萤石结构。经x射线分析测定,当溶入0.15分子CaO时晶胞参数a=0.513nm,实验测定的密度值D=5.477g/cm3
解:从满足电中性要求考虑,可以写出两种固溶方式: 如何确定其固溶方式?null 实测D=5.477 g/cm3 接近d计算2说明方程(2)合理,
固溶体化学式 : Zr0.85Ca0.15O1.85 为氧空位型固溶体。
附:当温度在1800℃急冷后所测的D和d计算比较,发现该固溶体为阳离子填隙形式,而且缺陷类型随着CaO溶入量或固溶体的组成发生明显的变化。null小结:
1、缺陷的分类
点缺陷 热缺陷(Frankel缺陷和Schttyq缺陷) 杂质缺陷
2、书写缺陷反应式应遵循的原则。
3、缺陷浓度计算。
4、固溶体的分类及形成条件。
5、研究固溶体的方法。 null定义:把原子或离子的比例不成简单整数比或固定
的比例关系的 化合物称为非化学计量化合
物。
实质:同一种元素的高价态与低价态离子之间的置
换型固溶体。
例 :方铁矿只有一个近似的组成Fe0.95O,它的结
构中总是有阳 离子空位存在,为保持结构电
中性,每形成一个 ,必须有2个Fe2+转变
为Fe3+。第四节 非化学计量化合物null非化学计量化合物可分为四种类型:阳离子填隙型
阴离子间隙型
阳离子空位型
阴离子缺位型nullTiO2晶体在缺O2条件下,在晶体中会出现氧空位。缺氧的TiO2可以看作Ti4+和Ti3+氧化物的SS,缺陷反应为: 氧分压与空位浓度关系:色心的形成: 1、阴离子缺位型 TiO2-xnullF-色心的形成实质: 一个卤素负离子空位加上一个被束缚
在其库仑场中带电子。-+-+-+-+-++-+-+-+-+--+-+-null2、阳离子填隙型 Zn1+xO
ZnO 在Zn蒸汽中加热,颜色加深, 缺陷反应为:null3、阴离子间隙型很少,只有UO2+x可以看作U3O8(2UO3.UO2)在UO2中的SS。
由于结构中有间隙阴离子,为保持电中性,结构中出现电子
空穴,反应式为:null
为了保持电中性在正离子空位周围捕获 ,是P型半导体。缺陷反应为:为保持电中性,两个综上所述,非化学计量化合物组成与缺陷浓度有关,并与氧分压有关,或与气氛有关。 4、阳离子空位型 如Fe1-xO ,Cu2-xO
nullV-色心的形成实质: 金属正离子空位加上相应个数被束缚
在其库仑场中带正电的电子空穴。-+-+-+-+-++-+-+-+-+--+-+-