学年论文

题目：浅谈晶体缺陷和它所产生的影响

学生姓名：      张 花 花     

学    号：     201112020107  

院 （系）：      理 学 院      

专    业：      物 理111     

指导教师：      刘 建 科      

2014   年   月   日

浅谈晶体缺陷和它所产生的影响

物理111班：张花花  指导教师：刘建科

（陕西科技大学理学院 陕西 西安 710021）

摘 要: 理论上讲晶体的结构排列通常是周期性的，对称的、有序的、但是正如人无完人，金无赤足一样，实际上在现实生活中，由于晶体内部的晶胞在各自的位置附近不断的运动，造成的热激发，以及外部的作用等各种原因，导致我们所遇到的晶体通常是不完整的，专业术语即缺陷。晶体中有缺陷并不都是有害的，人们根据晶体的缺陷趋利避害，巧妙利用晶体缺陷这一特点来制造出人们所需要的产品。例如我们可以在单晶硅中掺入替位式杂质或者间隙式杂质，来改变晶体的成分比例，使其造成缺陷，结构决定性质，从而根据需要我们可以调整物体的韧性、刚度、强度、以及硬度，灵活的生产出我们需要的物品，我们可以在纯铁中加入适量的碳就变成了刚，白宝石中加入微量铬就变成了红宝石等，我们还可以研究在现有的材料中加入另一种成分产生出新的物质，所以晶体所值的人们探索的领域还很宽广。

关键词： 晶体，热激发，缺陷，应用

Introduction To Crystal Defects And The Impact Of It

ABSTRACT：Theoretically crystal structure arrangement is often cyclical, symmetrical and orderly、But as no one is perfect, gold without barefoot, in fact, in real life, because the cell within the crystals of the respective location near constant movement, caused by the thermal excitation, and the effect of external reasons, lead to we faced crystal is often incomplete, jargon that is defective is not in the crystal defects are harmful and people according to the theory of crystal defects, ingenious use of the feature of crystal defect to make people needed products, For example we can in the single crystal silicon adding impurities or clearance for a type, to change the crystal composition, make its defects, structure decision property, thus we can adjust according to need toughness rigidity strength and hardness of the object, flexible to produce the items we need, we can add the amount of carbon in pure iron is turned out to be just, adding trace chromium white gem becomes a ruby, etc., we can also study add another ingredient in the existing materials to produce new substances, So crystals value people explore the field is very broad.

KEY WORDS: Crystal, thermal excitation, defects, and applications

1 造成晶体缺陷的原因及晶体缺陷的分类

在实际应用的半导体材料晶格中，总是存在着偏离理想情况的各种复杂现象。首先，原子并不是静止在具有严格周期性的晶格的格点位置上，而是在其平衡位置附近振动；其次半导体材料并不是纯净的，而是含有若干杂质，即在半导体晶格中存在着与组成半导体材料的元素，不同的其它化学元素的原子；再次实际的半导体晶格结构并不是完整无缺的，而是存在着各种形式的缺陷。这就是说，在半导体中的某些区域，原子周围的周期性势场被破坏，形成了各种缺陷。也正是这种原因造成了晶体具有各种各样的性能。从红宏观角度来讲，晶体缺陷是在晶体生长过程中，由于温度、压力、介质组分浓度等变化而引起的；有的则是在晶体形成后，由于质点的热运动或受应力作用而产生。它们可以在晶格内迁移，以至消失；同时又可有新的缺陷产生。

晶体的缺陷可以分为点缺陷如空位间隙原子等、线缺陷如位错、和面缺陷如层错、如多晶体中的晶粒间界等。

1.1  点缺陷

只涉及到大约一个原子大小范围的晶格缺陷称为点缺陷，点缺陷分为空位，间隙原子，杂质原子。

如果在晶体点阵中抽去在正常点阵位置上的一个原子就形成了空位。例如金属中的空位是由热激发产生的因为原子围绕它们的平衡位置振动，如果温度足够高，原子就可以脱离平衡位置，运动到晶体中其余的地方。我们通常把原子离开平衡位置运动到晶体表面上形成的空位叫肖特基缺陷，肖特基缺陷数目较多时，晶体的数量密度会有所减小；把原子离开平衡位置运动到晶体点阵间隙中形成的空位叫弗仑克尔缺陷。后者空位和间隙原子是成对出现的，空位和填隙原子是原子的热振动引起的，所以后者也成为热缺陷。一般来说，当温度不太高时，肖特基缺陷比弗仑克尔缺陷的数目大的多。

规则排列的原子进入晶体的空隙位置就会形成间隙原子，实际上形成间隙原子是需要很大的能量的，因此这类缺陷仅在接近固体熔点的高温下热激发产生。

半导体中的杂质，主要来源于制备半导体的原材料纯度不够，半导体单晶制备过程中的玷污，或是为了控制半导体的性质而人为的掺入化学元素的原子。杂质进入半导体后 ，以两种形式存在，  分别以间隙式杂质和替位式杂质存在，前者的定义是如果加进来的杂质处于点阵的间隙处，后者定义为加进来的杂质原子代替了原来晶体格点上的点子。间隙式杂质原子一般比较小，而一般形成替位式杂质要求替位式杂质的大小与被取代的晶格原子大小比较接近，还要求它们的价电子壳层结构比较相近。

1.2 线缺陷

当晶格周期性的破坏是发生在晶体内部一条线的周围附近，此种缺陷就称为线缺陷，位错也是线缺陷。在多种晶体缺陷中，对于范性和强度性质中起着主导作用的就是位错，关于位错自然而然要提到滑移，滑移它是一个极不均匀的过程，在滑移线上集中着大量的形变，并且滑移线并不是贯穿整个晶体，而是中断在某些地方，说明了在同一个滑移面内，滑移也不是同时发生的，有的地方先滑移，有的地方后滑移或者不滑移，所以滑移必定导致位错，位错主要有两种：刃形位错和螺型位错。

1.2.1刃形位错

假设在晶体内部有一个原子平面中断在原子内部，在这个原子中断的平面处就形成了一个刃形位错，刃形位错简称刃位错。刃形位错产生的原因是晶体内部存在应力，在应力的作用下，晶体原子的上半部分相对下半部分发生运动，这种运动称为滑移，滑移是逐步进行的，滑移在最前沿的原子层的左测上半部原子都已经完成了一个原子距离的运动，而晶体的右半部原子还没有移动，所以在晶体中就有一个多余的半原子面插在晶体中，就形成了刃形位错，刃形位错的一个特点就是滑移方向与位错线垂直，在位错线上部，由于有一个多余的原子面，所以晶格受到压力，而晶体的下半部晶格会伸张，所以说刃形位错还存在一个应力场     的刃形位错周围的原子排列见下图。

1.2.2螺型位错

当在晶体中存在螺型位错时，原来的一组平行晶面就变成像单个晶面所组成的螺旋阶梯，设想晶体沿某一晶面切开，使左右两块晶体眼前后两个方向相对滑移一个原子间距的距离，已滑移区与未滑移区之间的线称为螺型位错线，位错线是一条直线。螺型错位也是一种线缺陷，并且在位错线的附近的原子也受到了一定的扭曲，所以螺型位错周围也存在一种应力场。

1.2.3裂纹

    裂纹是位错的一种，对于脆性材料而言，断裂是借裂纹穿过整个式样的长大而进行的。同时裂纹长大的速度很高，约为表面波传播的速度的数量级，如果裂纹预先存在于晶体材料中，则在外力作用下在裂纹顶端附近，由于应力集中效应将存在非常高的应力，裂纹越长这个应力也越大，一旦这个应力达到结合强度，断裂将要发生，并且裂纹高速度传播。有些脆断的晶体材料，例如一些体心立方金属，他们的断裂并不是由于预先存在的裂纹，有很多实验证据表明裂纹在发生局部的范性形变的区域内或其附近形成，特别是在滑移带形成受阻的地方，所以裂纹有两个发展阶段形核和其失稳发展。如果形核控制着断裂过程，则微裂纹一旦形成它立即扩展与全试样，这是材料的断裂应力即形核应力，反之，如果裂纹扩展起决定性作用时，则裂纹形成后可稳定地存在于一定阶段，直到裂纹长大到一定尺寸时才会导致整个材料脆断。但是对于韧性材料这种应力集中将被局部的范性形变所弛豫，因此不容易形成微裂纹，在韧性材料中，即使形成微裂纹它们也会被范性形变所钝化而最后变成孔洞，当然在很多情况下孔洞可以源起于沉淀物或表面夹杂物，孔洞一旦形成以后，它们将被进一步的范性应变所扩大，孔洞的长大和联合导致观察到不规则裂纹。所以这种位错在生活中也是随处可见，杯子打碎也就是这个道理。

1.3 面缺陷

面缺陷，是沿着晶格内或晶粒间的某个面两侧大约几个原子间距范围内出现的晶格缺陷。主要包括堆垛层错以及晶体内和晶体间的各种界面，如小角晶界、畴界壁、双晶界面及晶粒间界等。其中的堆垛层错是指沿晶格内某一平面，质点发生错误堆垛的现象。如一系列平行的原子面,原来按ABCABCABC……的顺序成周期性重复地逐层堆垛，如果在某一层上违反了原来的顺序，如表现为ABCABCAB│ABCABC……,则在划线处就出现一个堆垛层错，该处的平面称为层错面。堆垛层错也可看成晶格沿层错面发生了相对滑移的结果。小角晶界是晶粒内两部分晶格间不严格平行，以微小角度的偏差相互拼接而形成的界面。它可以看成是由一系列位错平行排列而导致的结果。在具有所谓镶嵌构造的晶格中，各镶嵌块之间的界面就是一些小角晶界。

2晶体的缺陷带来的利弊

正如硬币的两面一样，晶体的缺陷在生活中也扮演着两个角色。实践表明，极微量的杂质和缺陷，能够对半导体材料的物理性质和化学性质产生决定性的影响。晶体缺陷的存在对晶体的性质会产生明显的影响。实际晶体或多或少都有缺陷。适量的某些点缺陷的存在可以大大增强半导体材料的导电性和发光材料的发光性，起到有益的作用；而位错等缺陷的存在，会使材料易于断裂，比近于没有晶格缺陷的晶体的抗拉强度，降低至几十分之一。

2.1缺陷所带来的危害

    事实证明，杂质和缺陷严重影响着半导体的质量。例如在硅晶体中若以十的五次方数量的硅原子中掺入一个杂质原子的比例掺入硼原子，则纯硅晶体的导电率在室温下将增加十的三个数量级倍。又如目前用于生产一般硅平面器件的单晶硅，对位错的程度也有一定的限制，若位错密度过高，则不可能产生性能良好的器件。晶体缺陷的存在对晶体的性质会产生明显的影响。

还有我们经常碰到的，一些杯子，镜子等玻璃和陶瓷物，之所以会被摔坏或者摔出裂纹就是由于晶体的缺陷，当这些东西被摔坏时，晶体的内部结构就会发生变化，主要原因就是晶体存在层错。还有日常生活中用到的吃到的一些东西会变质，就是由于晶体中掺杂进去一些菌类杂质，它们进入晶体或成为了替位式杂质，或成为了间隙式杂质。导致晶体原有的结构遭到破坏，所谓结构决定性质和用途，当结构发生了变化时，它的作用就不一样了，即我们所说的超过保质期了。这就是晶体缺陷所带来的不利。

2.2杂质和缺陷给人们生活所带来的方便

既然晶体的不完整性我们不能消除，所以我们就该换个角度将其转换为有利的，制造出我们需要的物体。就像化学反应一样，你可以利用碳酸根离子与酸反应来除水垢，利用酸碱中和反应来生产盐类物质，这个也一样，你在白宝石中加入一种物质，使她变成红宝石；在现实生活中我们常利用晶体的面缺陷来改变纯金属的柔软性和可延展性；所以这类型的缺陷在固体的冶金和化学过程中都起着重要的作用，最简单的例子就是在纯铁中加入适量的碳就可以炼成钢；纳米铜在常温下具有常常的延展性等。

常温下硅的导电性能主要由杂质决定。在硅中掺入VA 族元素杂质（如P、As、Sb 等）后，这些VA 族杂质替代了一部分硅原子的位置，但由于它们的最外层有5个价电子，其中4 个与周围硅原子形成共价键，多余的一个价电子便成了可以导电的自由电子。这样一个VA 族杂质原子可以向半导体硅提供一个自由电子而本身成为带正电的离子，通常把这种杂质称为施主杂质。当硅中掺有施主杂质时，主要靠施主提供的电子导电，这种依靠电子导电的半导体被成为n 型半导体。掺杂多少完全取决于人们的需要。

3晶体的缺陷所值的研究的地方

存在与半导体中的杂质和缺陷，为什么会起着这么重要的作用？根据理论分析认为，由于杂质和缺陷的存在，会使严格按周期性排列的原子所产生的周期性势场受到破坏，有可能在禁带中引入允许电子具有的能量状态，也就是能量级。正是由于杂质和缺陷在禁带中引入能级，才使它们对半导体的性质产生决定性的影响。

关于杂质和缺陷在半导体禁带中所产生的能级问题，虽然已经进行大量的实验研究和理论分析工作，使我们的认识和分析日益变得完善。

晶体位错的存在，强烈的影响着晶体的力学性质，电学磁学性质、以及光学性质等；金属合金中的第二相与母相的错配度，是许多第二相强化合金材料的设计的重要依据；再如纳米晶材料，由于其晶粒尺寸很小，以至于他的电学、力学、磁学、光学等性能与常规固体不同出现了许多新奇特性，像金属纳米材料的电阻随晶粒尺寸的下降而增大，电阻温度系数下降甚至变为负值，利用晶体缺陷的这种特点我们在未来的日子就可以创造出与众不同的东西，说不定水真的会变成金子。

参考文献

［1］沈一赴．固体物理学基础教程［C］．北京：化学工业出版社，2005.3： 145.

［2］张宏图，陈易之．固体的形变与断裂［D］．北京：高等教育出版社，1998：318 - 319, 142.

［3］奥默儿．固体物理学基础［M］．北京：北京师范大学出版社，1987.6：584 - 587.

［4］刘恩科，朱秉升，罗晋生．半导体物理学［M］．北京：电子工业出版社2011.3：37.

 

第二篇：陕西科技大学本科毕业论文(设计说明书)缩写稿模版

设计（论文）题目

**041班：*** 指导教师：***

（陕西科技大学****学院 陕西 西安 710021）

摘 要：20xx年5月我校已经实施的“陕西科技大学本科毕业生毕业论文（设计说明书）的书写及装订格式”进行修订。修订后的《陕西科技大学本科毕业生毕业论文（设计说明书）的书写及装订格式》使本科毕业生撰写毕业论文（设计说明书）时，在论文（设计说明书）的结构、装订、摘要、图表和参考文献等各方面有统一的标准，供学生和指导教师参考使用。

为了更好的说明格式要求，这里做了一个陕西科技大学本科毕业论文（设计说明书）的模版，请参照执行。

关键词：陕西科技大学，本科生

Title

ABSTRACT：This paper……

……

KEY WORDS: Shaanxi University of Science &Technology，undergraduate

1 缩写稿的基本要求

每个学生应完成一篇3000字左右的缩写稿（不得超过4页），打印并单独装订后，与毕业设计有关资料一同装入档案袋，电子文档由学院统一收集，备查。缩写稿书写格式必须符合科技论文书写格式与要求，图纸规范整洁，单位标注统一、正确。

2 缩写稿的版面要求

在页面设置中设置如下：

1）页边距：上：2.8厘米、下：2.2厘米，左：2.6厘米、右：2.6厘米；纸张纵向。

为了更好地说明页面设置中对页边距的设置，采用图表方式，设置情况见图2-1。

图2-1 页边距的设置

1

为了说明表格的写法，将上面的图改写成表格，见表2-1。

2）纸张：A4；

3）文档网格：字符-----每行44；行----每页40。

图2-2 文档网格的设置

4）在页面底端（页脚），居中用阿拉伯数字设置页码。 3 缩写稿打印、排版规范

3.1 中文题目

居中打印（小三号黑体，段后

1行）。

3.2 作者信息

作者、指导教师： 格式：“专业班级：学生姓名（空两个字符）指导教师：指导教师姓名”。另起一行打印“（陕西科技大学****学院（空一个字符）陕西（空一个字符） 咸阳（空一个字符） 712081）”，以上部分均居中打印，字体为五号黑体，段后0.5行。

3.3 中文摘要和关键词

左起打印“摘要：”（五号黑体），后为摘要内容，字体为五号宋体。另起一行，左起打印“关键词：”（五号黑体），其后为关键词（五号宋体），每一关键词之间用逗号隔开，最后一个关键词后不打标点符号。

3.4 英文题目、摘要和关键词

英文的论文题目的首字母均大写，居中打印（字体为小三号Times New Roman，加粗，段前段后各1行）。

英文摘要的要求是：左起打印“ABSTRACT：”（五号Times New Roman，加粗），其后为英文摘 2

要内容，字体为五号Times New Roman。另起一行，左起打印“KEYWORDS” （五号Times New Roman，加粗），其后为关键词，字体为五号Times New Roman，每一关键词之间用逗号隔开，最后一个关键词后不打标点符号。其后空一行，打印缩写稿内容。

3.5 缩写稿内容

概括论述课题的主要内容、研究方法和观点以及取得的主要成果和结论。一级标题为四号黑体，左起打印，段前段后各0.5行，二级标题为小四号黑体，左起打印，段前段后各0.5行，三级及以下标题为五号黑体，左起打印。其它文中部分字体为五号宋体。后面空一行，打印参考文献。

3.6 参考文献

左起打印参考文献四字（小四号黑体，段前段后各0.5行），下面按缩写稿中参考文献出现的先后顺序写出主要参考文献，参考文献中每条项目应齐全，字体为五号宋体。（不超过5篇）（参考文献应在正文中注出）

说明：如果缩写稿中出现图、表，其格式同论文（说明书）中的要求。下面举一公式书写的例子：

F = m a （3-1）

4 小结

以上是对陕西科技大学本科毕业生毕业设计（论文）缩写稿的模版及相关说明，以保证各式的正确。

参考文献

［1］袁庆龙，候文义．Ni-P合金镀层组织形貌及显微硬度研究［J］．太原理工大学学报，2001，32

（1）：51-53.

［2］刘国钧，王连成．图书馆史研究［M］．北京：高等教育出版社，1979：15-18，31．

［3］孙品一．高校学报编辑工作现代化特征［C］．中国高等学校自然科学学报研究会．科技编辑学论文集（2）．北京：北京师范大学出版社，1998：10-22．

［4］生．地质力学系统理论［D］．太原：太原理工大学，1998．

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