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@guoxs 2016-01-16T12:59:29.000000Z 字数 1780 阅读 2133

缺陷化学

无机合成与固体化学


1、缺陷时的光吸收

晶体的缺陷有本征的,如填隙原子和空位,也有非本征的,如替代杂质等。这些缺陷的能级在价带和导带之间的能隙之中。当材料受到光照时,受主缺陷能级接受价带迁移来的电子,而施主能级上的电子可以向导带迁移,这样就使原本不能发生基础吸收的物质由于缺陷存在而发生光吸收,下图给出了各种光吸收的情况。

缺陷时的光吸收

价带理论

2、缺陷的概念

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。

缺陷产生的原因

缺陷分类

点缺陷符号(Kroger-vink)方法
点缺陷
点缺陷

  1. 常用缺陷表示方法:

    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( ):
(1)空位:
表示M原子占有的位置,在M原子移走后出现的空位;
表示X原子占有的位置,在X原子移走后出现的空位。

NaCl晶体中,如果取走一个 ,晶格中多了一个e, 因此 必然和这个e'相联系,形成带电的空位


同样,如果取出一个,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

(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。
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:
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),它也不属于某个特定的原子位置。

(6)带电缺陷
不同价离子之间取代如
取代——
取代——

(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,

(2) MgO溶解到晶格中
MgO溶解到$Al_2O_3$晶格中

本征缺陷:
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) 弗兰克尔(Frenkel)缺陷
特点 —— 空位和间隙成对产生(Mi+Vm) ;晶体密度不变。
弗兰克尔(Frenkel)缺陷

2) 肖特基Schottky缺陷
特点—— 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
形成—— 正常袼点的原子由于热运动跃迁到晶体表面,在晶体内正常格点留下空位。
肖特基Schottky缺陷

非本征缺陷: 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)

杂质进入晶格的方式
(1) 正常格位取代: 第一种方式为杂质原子(离子)可以取代在正常晶格位置上原有的原子或离子。
1) 等价取代 : ZnS: Cu
在ZnS中,取代来,表示为 ,有效电荷为零。
2) 异价取代
不变价: NaCl晶体中,取代了NaCl晶体中的,生成了杂质钙缺陷。
不变价
变价
如果晶体化合物阳离子有可变的价态,随着杂质原子的进入,电荷的补偿可通过晶体中阳离子价态的改变来实现。例如在NiO中加入Li2O时,x部分Li1+的加入,使得x部分Ni2+变为Ni3+,生成的晶格缺陷为Li’ Ni,Ni. Ni和Nix Ni,其反应式为:
变价

原子价控制
原子价控制

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