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第1章 晶体学基础 1

1.1引言 1

1.2物态变化 1

1.3晶体的宏观特征 3

1.4非晶态与晶态之间的转化 5

1.5晶体的空间点阵 5

1.5.1晶体的特征和空间点阵 5

1.5.2晶胞、晶系和点阵类型 8

1.5.3布拉维点阵与复式点阵 15

1.5.4晶胞（单胞）和原胞 15

1.6晶面指数和晶向指数 17

1.6.1三指数表示法 17

1.6.2四指数表示法 21

1.7晶面间距 24

1.8晶带 25

1.9准晶、非晶和液晶 25

1.9.1准晶 25

1.9.2非晶 27

1.9.3液晶 27

第2章 晶体的结构 29

2.1引言 29

2.2布拉维格子 29

2.3常见晶体结构及其几何特征 32

2.3.1常见的晶体结构 32

2.3.2几何特征 32

2.4晶体结构中的间隙 35

2.5晶体原子的堆垛方式 38

2.6主要晶体结构类型 39

2.6.1元素的晶体结构 39

2.6.2纯金属的晶体结构 44

2.6.3离子晶体结构 47

2.6.4共价晶体结构 57

2.6.5合金的晶体结构 59

2.6.6几种重要的多元晶体结构 62

2.6.7硅酸盐结构 66

2.7晶体中的电子结构 70

2.7.1晶体的结合键 70

2.7.2固体中的电子状态 70

2.7.3晶体中的电子能态 71

2.7.4离子键与晶格能 72

2.7.5轨道相互作用简介 74

2.7.6固体中的能带 75

2.7.7离子键近似 79

2.7.8哈伯德（Hubbard）模型 81

2.8晶体结构符号 81

第3章 晶体中的点缺陷 84

3.1引言 84

3.2晶体缺陷的类型 85

3.2.1按几何形态分类 85

3.2.2按缺陷来源分类 88

3.2.3按热力学分类 89

3.3点缺陷 90

3.3.1亚晶格（亚点阵）的概念 90

3.3.2点缺陷的名称 91

3.3.3点缺陷的类型 91

3.3.4本征缺陷和非本征缺陷 96

3.3.5金属中的点缺陷 97

3.3.6离子晶体和氧化物中的点缺陷 98

3.3.7点缺陷对晶体性能的影响 99

3.3.8离子晶体中的点缺陷与颜色 100

3.4点缺陷的符号表示 101

3.4.1符号表示的方法 101

3.4.2特殊缺陷的说明 105

3.4.3本征缺陷的再描述 105

3.5线缺陷 108

3.5.1刃位错（刃型位错） 109

3.5.2螺位错（螺型位错） 110

3.5.3位错的描述 112

3.6面缺陷 113

3.6.1表面 114

3.6.2晶界 114

3.6.3相界 119

3.6.4堆垛层错 119

第4章 晶体点缺陷物理 121

4.1引言 121

4.2热平衡点缺陷的几何组态 121

4.2.1热缺陷的基本类型 121

4.2.2点缺陷的几何组态 124

4.3热平衡点缺陷的统计理论 126

4.3.1热力学依据 127

4.3.2热力学假定 128

4.3.3按统计理论处理热平衡缺陷 128

4.3.4体积和振动频率改变的影响 134

4.3.5点缺陷的平衡浓度 134

4.3.6金属中热平衡点缺陷的浓度 140

4.4点缺陷的形成能和形成熵 143

4.4.1点缺陷的形成能 143

4.4.2点缺陷的形成熵 148

4.5点缺陷的运动和结合 151

4.5.1点缺陷的迁移 151

4.5.2点缺陷的结合 158

4.5.3点缺陷的消失 160

4.6点缺陷的迁移能和迁移熵 160

4.6.1点缺陷的迁移能 160

4.6.2点缺陷的迁移熵 161

4.7金属中的淬火空位 161

4.7.1加热时的空位浓度 161

4.7.2淬火后的空位浓度 162

4.7.3退火恢复 163

4.8金属辐照产生的点缺陷 163

4.8.1辐照效应 163

4.8.2粒子碰撞 165

4.8.3原子碰撞的级联过程 170

4.8.4性能影响和辐照损伤 170

4.8.5辐照后缺陷的回复 171

4.9点缺陷对晶体性能的影响 172

4.9.1对晶体密度的影响 172

4.9.2对晶体电性能的影响 173

4.9.3对晶体光性能的影响 173

4.9.4对晶体比热容的影响 173

第5章 点缺陷化学 175

5.1引言 175

5.2点缺陷的基本知识 175

5.2.1点缺陷的基本类型 175

5.2.2点缺陷热力学 176

5.3缺陷反应的表示 183

5.3.1点缺陷反应式的规则 183

5.3.2点缺陷反应式的合理选择 185

5.4点缺陷平衡 186

5.4.1本征缺陷 187

5.4.2非本征缺陷 199

5.4.3异价缺陷 204

5.4.4非本征缺陷浓度与杂质浓度的关系 206

5.5非整比化合物 208

5.5.1非整比化合物的构成方式 208

5.5.2非整比化合物的基本类型 209

5.5.3非整比相的组成范围 216

5.5.4非整比结构的能态 218

5.5.5非整比缺陷平衡及其近似处理 219

5.5.6与非整比缺陷相关的两个概念 222

5.5.7非整比化合物的研究方法 222

5.6基本缺陷反应 224

5.6.1整比化合物的基本缺陷反应式 224

5.6.2非整比化合物的基本缺陷反应式 225

5.7点缺陷的缔合和缺陷簇 227

5.7.1缔合缺陷的形成 227

5.7.2缔合缺陷的性质 228

5.8色心 229

5.8.1色心的概念 229

5.8.2色心的形成 229

5.8.3色心的性质 234

第6章 固溶体中的点缺陷 235

6.1引言 235

6.2固溶体的特点 235

6.2.1固溶体的形成 235

6.2.2固溶体的基本特征 236

6.2.3固溶体与其他构成的区别 236

6.2.4固溶反应的书写 237

6.3固溶体的类型 238

6.3.1置换型固溶体和间隙型固溶体 238

6.3.2连续固溶体和有限固溶体 239

6.3.3无序固溶体和有序固溶体 240

6.4置换型固溶体 241

6.4.1影响置换型固溶体固溶度的因素 241

6.4.2置换型固溶体的生成机制和“组分缺陷” 244

6.4.3对置换型固溶体的总结 248

6.4.4同质多晶和类质同晶 249

6.5间隙型固溶体 250

6.5.1间隙型固溶体的形成条件 250

6.5.2常见的间隙型固溶体 251

6.6固溶体的性能和作用 251

6.6.1固溶体的物理性能 252

6.6.2固溶体的力学性能 253

6.6.3固溶体的稳定性 254

6.7非整比化合物与固溶体的联系 255

6.8固溶体的研究方法 256

6.8.1 X射线粉末衍射法 256

6.8.2差热分析法 257

6.8.3相图法 258

6.8.4密度法 258

第7章 氧化物中的点缺陷 263

7.1引言 263

7.2氧化物结构与点缺陷 264

7.2.1氧化物的晶体结构 264

7.2.2氧化物中的点缺陷类型 268

7.3氧化物缺陷平衡 273

7.3.1点缺陷平衡热力学 273

7.3.2氧化物中的点缺陷平衡 277

7.3.3掺杂离子对点缺陷平衡的影响 280

7.3.4缺陷平衡的能带理论 282

7.4掺杂对氧化物缺陷性质的影响 287

7.4.1在n型半导体氧化物中的掺杂 288

7.4.2在p型半导体氧化物中的掺杂 291

7.5复杂缺陷 291

7.5.1缺陷簇 292

7.5.2扩展缺陷 293

7.6半导瓷 294

7.6.1准化学反应 295

7.6.2半导瓷的能带结构 296

7.6.3 BaTiO3半导瓷缺陷研究（举例） 299

第8章 点缺陷与晶体扩散 303

8.1引言 303

8.2扩散规律和扩散方程 303

8.2.1浓度梯度作用下的扩散 303

8.2.2电位梯度作用下的扩散 305

8.3原子扩散理论和扩散微观机制 306

8.3.1扩散与原子的随机行走 306

8.3.2菲克定律的微观形式及扩散系数D的微观表示 308

8.3.3扩散的微观机制 310

8.4扩散系数D和扩散激活能Q的热力学关系 316

8.4.1原子激活几率和激活能的概念 317

8.4.2间隙机制中D和Q的热力学关系 318

8.4.3空位机制中D和Q的热力学关系 318

8.4.4简单立方晶格空位机制的热力学关系 320

8.5自扩散和杂质原子扩散 321

8.5.1自扩散 321

8.5.2杂质原子的扩散 322

8.6扩散的影响因素 323

8.6.1扩散介质结构与性质的影响 323

8.6.2化学键的影响 324

8.6.3结构缺陷的影响 324

8.6.4温度的影响 325

8.6.5杂质的影响 325

8.6.6气氛及其他影响因素 326

8.7离子晶体中的扩散 327

8.7.1离子晶体中的缺陷 327

8.7.2离子晶体的扩散机制 328

8.7.3离子迁移率 329

8.7.4离子电导率与扩散系数的关系 331

8.7.5优势扩散 333

第9章 点缺陷与金属氧化 336

9.1引言 336

9.2氧化物中的扩散 336

9.2.1扩散方程 337

9.2.2扩散系数 339

9.2.3扩散的微观机制 342

9.2.4杂质在氧化物中的扩散 344

9.3氧化物的电导率 344

9.4氧化物的烧结和蠕变 347

9.4.1氧化物的烧结 347

9.4.2氧化物的蠕变 348

9.5典型氧化物与缺陷相关的性质 350

9.5.1铁的氧化物 350

9.5.2高温氧化保护膜的扩散 352

9.6金属的氧化机制 353

9.6.1氧化机理 354

9.6.2迁移机理 356

9.7金属氧化动力学 363

9.7.1氧化动力学规律的一般条件 363

9.7.2氧化过程的抛物线生长理论 364

9.8纯金属的高温氧化 380

9.8.1镍的氧化 380

9.8.2锌的氧化 381

9.8.3形成离子导体的金属氧化 383

9.9合金的高温氧化 384

9.9.1 Hauffe-Wagner理论 384

9.9.2掺杂对合金氧化的作用 385

第10章 点缺陷实验研究 387

10.1引言 387

10.2衍射法 387

10.2.1 X射线衍射法 388

10.2.2电子衍射和中子衍射 392

10.3显微术 394

10.3.1扫描隧道显微镜 394

10.3.2高分辨电子显微术 395

10.3.3场离子显微术 395

10.4点缺陷浓度的测定 399

10.4.1正电子湮灭 399

10.4.2热膨胀法 400

10.5点缺陷形成能和形成熵的测定 401

10.5.1比热容实验法 401

10.5.2热膨胀实验法 402

10.5.3淬火实验法 403

10.6空位形成能和迁移能的测定 405

10.6.1电阻法 405

10.6.2体积法 408

10.6.3比热容法 409

参考文献 411

附录1国际单位制（SI） 414

附录2单位换算系数 416

附录3基本常数表 417

附录4元素的相对原子质量 418

附录5有效离子半径 420

附录6某些物质的标准摩尔生成热力学量及热容（25℃） 424

附录7元素周期表 428