晶体缺陷

[拼音]：jingti quexian

[外文]：crystal defects

指晶体内部偏离完整结构的场所，可依据其延展的范围分为点缺陷、线缺陷（见位错）和面缺陷三大类。

晶体缺陷的研究起源于矿物学的研究。矿物学家从有的石英晶体中发现它的形态和光学、电学性质有局域性的变易，从而发现孪晶这种晶体缺陷。18世纪末冶金学家注意到从白炽状态缓冷下来的熟铁晶粒中有亚结构存在。19世纪矿物学家用化学试剂侵蚀晶体表面，以蚀斑的图形来辨认晶面。但他们还没有把晶面的蚀斑和晶体内存在的缺陷联系起来。19世纪下半叶冶金学家研究晶粒间界，猜测其厚度为原子尺度。20世纪初期物理学家研究金属的范性，首先在钠单晶上发现滑移带（见滑移），W.H.布喇格猜测这些整齐的滑移带是和晶体内部结构相联系的，这些可以作为晶体缺陷研究的史前渊源。

1912年M.von劳厄用 X 射线入射晶体而产生衍射斑，方始证实晶体内部原子是规则排列的。接着布喇格父子开创了晶体结构的研究工作。晶体物理的研究工作从此从宏观外形逐步深入到内部结构的领域。当时，人们认为晶体内部结构是非常有规则的。

1914年，C.G.达尔文从X 射线衍射动力学理论出发计算，得出完整晶体的X 射线衍射强度应远小于实际观察到的；理论计算的衍射线张角的弧度是秒的量级，而实际观察有的可达分的量级。达尔文认为这些理论不能解释实验现象的缘由是实际晶体中原子的排列并不像理想晶体中那样整齐，而在存在缺陷，他称之为嵌镶结构。从此人们开始意识到晶体中存在微观缺陷。现在看来，所谓嵌镶结构实质上就是已为人们熟知的晶体缺陷中的一类重要缺陷──位错的某种排列组态。达尔文的工作启开了晶体缺陷研究的大门。

20世纪40年代F.塞茨曾把晶体缺陷分为六类：声子、电子与空穴、激子、点阵空位和间隙原子，最后一类缺陷是位错。塞茨称这六类是晶体中的基元缺陷。虽然如此，从物理学过程来看，现在明确知道声子、电子和空穴、激子这三类是对应于固体中的元激发，相当于有序结构（包括能带结构）的微扰，不具有明显局域性和有序结构局域性的严重干扰。所对应的晶体缺陷虽有其相似之处，但本质上的差异也不容忽视。

晶体缺陷的研究中，往往首先考虑低密度的某一种缺陷，这并不只是为了简单方便，而且与事实亦不相悖。在接近熔点的金属中空位的数目只占0.01％，在较低温度时则更少。因此在观察研究这些空位的特性时，可只把它们当作一个个分立的缺陷，正如研究低气压下的气体时，可以把分子看作分立的粒子来处理一样。因此单个位错的性质和它的运动是最早搞清楚的，少量位错之间，或位错与其他缺陷，例如空位之间的相互作用，也大致弄清楚了。但固体中大量位错之间的集体运动与相互作用等方面，还有待深入研究。金属加工硬化的明确机理，还没有完善理论。自从电子计算机技术发展之后，又有了用电子计算机来模似晶体缺陷的原子组态的方法。处理高密度的缺陷时，缺陷之间的相互作用就突出了。

例如强辐照后的固体中形成了高密度的空位，空位聚集起来可以形成双空位、三空位、甚至成为棱柱位错圈，层错四面体，或空洞；又如多个位错的某种形式的聚集形成嵌镶晶界和位错网络。这就说明晶体中各类缺陷并不是相互割裂、毫不相关的，而是可以通过相互作用而转化，成为其他类型或更复杂的缺陷。但不能作为基元缺陷来看待。

表面也可以存在某种缺陷，在固体表面原子排列有局域性的异常，如表面空位、附加原子、台阶、弯结都是存在于固体表面的缺陷。极薄一层数个埃的厚度内点阵有所异常，表面原子之间的键也和晶体内部的有所不同。

固体受到辐照，这种辐照可以是电磁波，也可以是粒子、带电荷的，如快速运动的正离子或负离子、β粒子、介子等，也可以是中性的，如不带电荷的中子、中微子等。这些外来粒子有的可以留在被辐照体内，为了方便起见，它们可以看作晶体中的组成部分；有的只在晶体中造成瞬时性的缺陷，例如晶体中含有一些杂质时，适当的辐照后，杂质的电子激发，然后跃迁到基态而发出特种的光子，这种含有杂质的固体就成为固体发光材料。固体受到辐照也能造成晶体中的缺陷，离子晶体中的色心就是一个例子。

以上不完全的记述，已足以说明晶体缺陷的研究是材料科学中的重要一环。

点缺陷存在于晶体中是电阻率增大的原因，克肯达耳效应充分证明空位与原子的交相运动导致原子在晶体中的扩散（见固体中的扩散），这些过程的研究时间并不长就趋成熟。位错是线缺陷，它的结构与相互作用是较为复杂的，它对固体性能的影响也是巨大的，研究的历史也较长，因而研究位错是研究晶体缺陷的主攻方向。

位错研究是以晶体力学性质的研究开始的。20年代欧洲的科学家们，如A.A.格里菲思、Α.Ф.约飞、G.马辛和L.普朗特从固体力学性质的观察和实验出发，Я.И.夫伦克耳、R.贝克尔和M.波拉尼从计算出发，企图解释为什么实际晶体力学强度远低于完整晶体的理论强度。直到30年代中期才有G.I.泰勒、E.奥罗万、波拉尼和J.M.伯格斯等人把位错模型正确地建立起来。有趣的是在探索位错模型十余年的过程中，像普朗特、泰勒和伯格斯三人都是著名的流体力学科学家。这或许是个巧合，但也可以设想在流体力学理论里的涡旋丝和弹性力学理论力的位错线这两概念有相似之处，从而启发他们从流体中学中的概念出发建立起固体中缺陷模型。孤立子理论原是在19世纪从一个偶然观察而导出的流体力学理论。1938年夫伦克耳和T.康塔罗瓦的位错模型就是在赛恩－戈登(Sine－Gordon)方程的孤立子解的基础上建立起来的。看来晶体缺陷理论不但以弹性力学为基础，而且也与流体力学理论同一根源。

从20年代到60年代中期前后，经过约40年众多科学家的努力，其中有英国的N.F.莫脱、F.C.夫兰克、P.B.赫希、A.H.科特雷耳、J.D.伊谢尔比，德国的A.泽格，法国的G.夫里德耳，比利时的S.阿梅林克斯，美国的W.肖克莱、W.T.里德等人，才把晶体中主要缺陷──位错的理论牢固地建立起来。目前位错的形态和运动已能在电子显微镜中观察到，晶体理论的计算强度和实测基本相符。随之，晶体物理学许多问题的研究迅速开展起来，如位错与点缺陷之间、位错与溶质原子及第二相粒子之间的相互作用；晶体受到交变应力时，位错与杂质原子交互作用发生的弛豫过程与内耗的关系；位错在金属断裂中的重要作用;压电及铁电晶体中的位错形态，金属中的位错与电阻的关系，以及位错的磁效应等。这些工作对晶体特别是对金属的力学性质的了解起了重要作用。内耗是研究晶体中缺陷结构与运动的得力方法之一，如位错弛豫、位错共振与位错滞后等的研究，使对晶界、溶质原子、杂质原子在晶体内运动等有了更多的了解（见内耗与超声衰减）。在电子器件中，制造大规模集成电路是目前的尖端技术，位错是影响其性能的关键问题之一。现在不少人在研究存在于硅表面层的一种微小涡旋状的缺陷，实验证明，有一类涡旋即是微小的位错圈；层错和氧化过程有关是位错的另一缺陷组态。现在已经有办法将这些位错缺陷驱逐到硅片的内部而使30～50微米厚度的表面纯洁无疵，在制造电子器件过程中即使因热处理、加工等在表面层中从外界又羼入了某种缺陷，也会为内部的缺陷吸聚，从而消除其不良影响，这是以缺陷治缺陷的一个例子。

晶体中位错的研究发源于弹性力学理论，最初处理这问题是从连续媒质出发的。其后，连续媒质中位错理论有很大的发展，在地质构造学、地震学、岩石学等领域得到应用。

晶体缺陷除位错外还有所谓旋错，实质上位错与旋错是相类似的晶体缺陷，同是从弹性体的切割面受到刚性相对位移或扭转而造成的。位错在金属和离子晶体中都会存在，有的是在生长时由于偶然的扰动而形成的，更多的是由于外部因素引入的，如加工硬化可以使晶体中位错密度大幅度增加。旋错存在于液晶、生物脂质之类的体中，铁磁材料中畴壁的变向亦可看作旋错的表示。

一个基础的物理理论需要实验的证明，从而获得承认，并进一步在实际应用中发挥作用，这往往需要较长的岁月。这样的事例在科学史上屡见不鲜。晶体缺陷理论从1914年达尔文的觉察，到1956年B.赫希等人用电子显微镜证实了泰勒的位错模型，前后历经42年。即使如此，在那时不久之后，还有人认为位错理论美则美矣，但没有什么实用价值。又过20多年到70年代，位错理论不但本身发展得根深叶茂，还深入到旁支学科之中，如高分子、地质学、矿石学以及生物分子等方面，用途很多。

目前看来晶体缺陷这门学科的主攻方向仍是位错理论实验及其应用，较之以前有了更强大的生命力。但旋错的研究还不多，没有得到应有的注意。又如微晶粒(微米量级)及超微晶粒(10-1～10-3微米量级）做成的材料有特殊的电磁、热学以及力学性能，微晶粒的内部与微晶粒之间的晶体缺陷值得研究；晶须是个30年前盛行的课题，它的结构多变，与生长条件有关，还没有深入的研究；非晶态的工作正在蓬勃发展，非晶态材料中也存在有缺陷，但如何表征还是问题，因为缺乏像判别晶体缺陷用的完整点阵那样的一个公认的参考体系。

近年来缺陷拓扑理论的提出又将晶体缺陷理论作了重要的推广。一些传统的基本概念（如伯格斯回路）与代数拓扑学的数学方法结合起来构成了探讨任意有序媒质中奇异性和不均匀性具有普遍意义的理论，已经在一些复杂的有序媒质（如液晶、3He超流相、磁有序相等）中应用并已取得有意义的成果。凡此种种都表明晶体缺陷这一课题是有广阔远大前程的，这孕蕴了材料科学和凝聚态物理中最深刻的基本问题，它的应用范围也是极为宽广的。

参考书目
  1. H.G.Van Bueren，Imperfection in Crystals， North-Holland， Amsterdam，1960.
  2. J.H.Crawford， Jr. and L. M. Slifkin，ed.，Point Defects in Solids， Plenum， 1975.
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  5. F.R.N.Nabarro，ed.，Dislocation in Solids，North-Holland，Amsterdam，1979～1980.
  6. 冯端：晶体缺陷研究的进展，《物理学报》，第28卷，第2期，1979。
  7. 钱临照：晶体缺陷研究的历史回顾，《物理》，第9卷，第4期，1980。