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第1章 点缺陷 1

1.1引言 1

1.2晶体中的点缺陷和电子缺陷 3

1.3电子特性：以掺杂的硅和掺杂的锗为例 6

1.4光学性能：以F心和红宝石为例 8

1.5体相性能 11

1.5.1晶胞尺度 11

1.5.2密度 12

1.5.3体积 14

1.5.4杨氏模量（弹性模量） 15

1.6热电性能：以Seebeck（塞贝克）系数为例 16

1.7点缺陷标记 18

1.8缺陷所带电荷 19

1.8.1电子和电子空穴 19

1.8.2原子缺陷和离子缺陷 19

1.9点缺陷的平衡：Schottky（肖特基）缺陷和Frenkel（弗仑克尔）缺陷 22

1.9.1 Schottky缺陷 22

1.9.2 Frenkel缺陷 24

1.10反占位缺陷（错置缺陷） 25

1.11缺陷形成和反应方程 27

1.11.1原子的增加和减少 27

1.11.2方程形式 28

1.11.3反占位缺陷的形成 29

1.11.4氧化镍 29

1.11.5氧化镉 30

1.11.6氧化钙稳定的氧化锆 31

1.11.7三元氧化物 32

1.12纯物质中点缺陷的结合 33

1.13点缺陷分布的结构状况 34

1.14引言问题的解答 35

问题和练习 36

参考文献 38

扩展阅读 39

第2章 化学计量化合物中的本征点缺陷 40

2.1单原子晶体中的空位平衡 40

2.2单原子晶体中的自间隙原子平衡 44

2.3晶体中的Schottky缺陷平衡 45

2.4 LiI电池 47

2.5晶体中的Frenkel缺陷平衡 49

2.6感光膜（照相底片） 51

2.7光色玻璃（光致变色玻璃） 54

2.8晶体中的反占位缺陷平衡 55

2.9本征缺陷：研究趋势和进一步的考虑 56

2.10缺陷能的计算 57

2.10.1缺陷计算 57

2.10.2点缺陷的相互作用 59

2.10.3原子模拟 60

2.10.4壳模型 63

2.10.5缺陷形成能 65

2.10.6量子力学计算 66

2.11引言问题的解答 67

问题和练习 68

参考文献 70

扩展阅读 71

第3章 扩展缺陷 73

3.1位错 73

3.2刃型位错 75

3.3螺型位错 80

3.4混合位错 83

3.5单元位错和不全位错（分位错） 84

3.6位错增殖 87

3.7位错与点缺陷的交互作用 89

3.7.1位错环 89

3.7.2位错攀移 91

3.7.3位错的缀饰 91

3.8非金属晶体中的位错 93

3.9内界面 96

3.10小角晶界 98

3.11孪晶界 99

3.12反相畴界 103

3.13畴和铁性体材料 105

3.13.1磁结构 105

3.13.2铁电结构 106

3.13.3铁性体结构 107

3.14外表面和晶界（晶粒边界，晶粒间界） 108

3.14.1多晶体的光学特性 110

3.14.2界面电子特性 111

3.14.3压敏电阻 113

3.14.4正温度系数热敏电阻 114

3.15体缺陷和析出相（沉淀相） 116

3.16引言问题的解答 118

问题和练习 119

扩展阅读 121

第4章 成分变化对结构的各种影响 123

4.1成分变化以及非化学计量 123

4.1.1相图和固体共存 123

4.1.2非化学计量化合物 124

4.1.3相图和组成 125

4.2置换式固溶体 127

4.3点缺陷和偏离化学计量 130

4.3.1置换式点缺陷：砷化镓（GaAs） 131

4.3.2空位：氧化钴（CoO） 132

4.3.3间隙（原）子：La2CuO4和Sr2CuO2F2 132

4.3.4间隙式杂质：合金和氢化物 134

4.3.5缺陷变化：氧化锌（ZnO） 134

4.3.6有缺陷的尖晶石（M2O3） 135

4.4缺陷团簇 135

4.4.1点缺陷聚集 135

4.4.2氧化亚铁，浮氏体（Wustite） 136

4.4.3超化学计量的二氧化铀 138

4.4.4负离子过剩的萤石型结构 140

4.4.5负离子缺位的萤石型结构 144

4.5缺陷嵌入 147

4.6插层 149

4.7线缺陷 152

4.8模块结构 153

4.8.1晶体学切变相 155

4.8.2孪生和组成变化 160

4.8.3化学孪生 161

4.8.4钙钛矿相关的结构 163

4.8.5失配层化合物 168

4.8.6五氧化二铌块体结构 170

4.9排序和吸收 172

4.10调制结构 174

4.10.1结构调制 174

4.10.2钇的氟氧化物及相关结构 175

4.10.3 U3 O）8相关结构 176

4.10.4 Srx TiS3及相关结构 178

4.11引言问题的解答 179

问题和练习 180

扩展阅读 183

第5章 缺陷和扩散 186

5.1扩散 186

5.2固体中的扩散 188

5.3晶体中的随机行走扩散 193

5.4扩散机制 194

5.4.1空位扩散 194

5.4.2间隙扩散 196

5.4.3间隙子扩散 198

5.4.4杂质和团簇扩散机制 200

5.4.5扩散路径 201

5.5点缺陷浓度和扩散 205

5.6相关因子 206

5.7扩散系数随温度的变化 210

5.8温度变化和本征扩散 214

5.9扩散机制和杂质 217

5.10化学的和双极性的扩散 218

5.11位错和晶界扩散 220

5.12在非晶态和玻璃固体中的扩散 221

5.13引言问题的解答 222

问题和练习 223

扩展阅读 226

第6章 绝缘体中的本征和非本征缺陷：离子电导 228

6.1离子电导 228

6.1.1固体中的离子电导 228

6.1.2基础概念 229

6.2离子电导的机制 231

6.2.1随机行走模型 231

6.2.2离子电导率与扩散系数间的关系 235

6.2.3离子电导率和缺陷 236

6.3阻抗测量 237

6.4电化学电池和电池 239

6.5无序的正离子化合物 241

6.6 β3-氧化铝型氧化物 243

6.6.1β-氧化铝相关相的理想构造 243

6.6.2β-氧化铝中的缺陷 246

6.6.3β”-氧化铝中的缺陷 247

6.6.4离子导电性 247

6.6.5使用β”-氧化铝的电池 248

6.7离子导电性的提高 250

6.8氧化钙稳定的氧化锆和与之相关的快氧离子导体 252

6.8.1结构和萤石型结构氧化物中氧的扩散 252

6.8.2自由能和氧化物的化学计量 253

6.8.3氧传感器 254

6.8.4氧气泵和库仑滴定 256

6.9质子（H离子）导体 257

6.10固体氧化物燃料电池 258

6.11引言问题的解答 259

问题和练习 261

扩展阅读 264

第7章 非化学计量和本征导电性 266

7.1氧化物中的非化学计量和电子缺陷 266

7.1.1电子的和离子的补偿 266

7.1.2金属过量相 266

7.1.3氧过量相 268

7.2电导率与缺陷 270

7.2.1电导率和缺陷浓度 270

7.2.2空穴，电子和价态 270

7.2.3局域电子和极化子 271

7.2.4缺陷和跳跃电导率 272

7.2.5能带与跳跃式电导 273

7.2.6 Seebeck效应和化学计量学 275

7.3化学计量，缺陷数量和分压 276

7.3.1平衡分压 276

7.3.2相律 277

7.4缺陷数随分压的变化 281

7.4.1金属过量氧化物 281

7.4.2氧过量氧化物 282

7.4.3 Ba2In2O5 283

7.5布劳沃图 285

7.5.1初始假设 285

7.5.2缺陷平衡 286

7.5.3化学计量点：离子缺陷 286

7.5.4近化学计量：离子缺陷 288

7.5.5高X2分压：离子缺陷 289

7.5.6低X2分压：离子缺陷 291

7.5.7完全相图：离子缺陷 292

7.6布劳沃图：电子缺陷 293

7.6.1电子缺陷 293

7.6.2近化学计量：电子缺陷 293

7.6.3高X2分压：电子缺陷 296

7.6.4低X2分压：电子缺陷 297

7.6.5完整布劳沃图：电子缺陷 298

7.7布劳沃图：更复杂的例子 299

7.7.1 Cr2O 299

7.7.2 Ba2In2O5 300

7.8布劳沃图：温度的影响 301

7.9布劳沃图的多项式形式 301

7.9.1离子缺陷 302

7.9.2电子缺陷 304

7.10引言问题的解答 305

问题和练习 306

参考文献 309

扩展阅读 310

第8章 非化学计量及非本征导电性 311

8.1杂质原子的影响 311

8.2氧化物中的杂质 312

8.2.1施主杂质 312

8.2.2 Cr2O3的施主掺杂 312

8.2.3受主掺杂 313

8.2.4 NiO的受主掺杂 313

8.3负温度系数（NTC）热敏电阻 314

8.4掺杂体系的布劳沃图 317

8.4.1构建 317

8.4.2一般趋势：MX 320

8.5金属和绝缘体 321

8.5.1对La2CuO4的受主掺杂 321

8.5.2对Nd2CuO4的施主掺杂 322

8.5.3尖晶石体系Li1+x Ti2-x O4 324

8.6铜酸盐高温超导体 325

8.6.1钙钛矿相关结构 325

8.6.2空穴掺杂 329

8.6.3缺陷结构 330

8.7混合型电子/离子导体 335

8.7.1萤石型结构氧化物：CeO2-8 335

8.7.2层状结构：Lix MX2 336

8.7.3钙钛矿型结构氧化物的受主掺杂 338

8.8混合型质子/电子导体 341

8.8.1混合型质子导体 341

8.8.2混合型质子电导的布劳沃图 342

8.8.3混合型电导的电荷载流子图形表示 343

8.9补偿机制的选择 346

8.10引言问题的解答 347

问题和练习 348

扩展阅读 351

第9章 磁性缺陷和光学缺陷 352

9.1磁性缺陷 352

9.2半导体中的磁性缺陷 355

9.3铁氧体中的磁性缺陷 357

9.4辉钴矿和水锰矿中的电荷和自旋态 358

9.5扩展的磁性缺陷 361

9.6光学缺陷 363

9.6.1吸收和散射 363

9.6.2能级 365

9.6.3固体中的能级 366

9.7颜料，矿物和宝石 368

9.7.1过渡金属和镧系元素离子的颜色 368

9.7.2颜色和杂质缺陷 369

9.8光致发光 371

9.8.1能量降低和下转换 371

9.8.2上转换 372

9.9固体激光器 377

9.9.1辐射的发射 377

9.9.2红宝石激光器：三能级激光器 377

9.9.3钕（Nd3+）激光器：四能级激光器 379

9.10色心 380

9.10.1 F心 380

9.10.2电子和空穴心 382

9.10.3表面色心 383

9.10.4复杂色心：激光和光子行为 384

9.11电致变色薄膜 386

9.12光致磁性 387

9.13引言问题的解答 389

问题和练习 390

扩展阅读 393

补充材料 394

S1晶体结构 394

S1.1晶系和晶胞 394

S1.2晶面和Miller指数 395

S1.3晶向 398

S1.4晶体结构 399

扩展阅读 407

S2能带理论 407

S2.1能带 407

S2.2绝缘体、半导体和金属 408

S2.3半导体和绝缘体中的点缺陷及能带 410

S2.4过渡金属氧化物 411

S3 Seebeck系数（热电系数） 412

S3.1 Seebeck系数和嫡 412

S3.2 Seebeck系数和缺陷分布 413

S4 Schottky缺陷和Frenkel缺陷 416

S4.1通过位形嫡获得Schottky缺陷平衡浓度 416

S4.2 Stirling近似 417

S4.3通过位形嫡获得Frenkel缺陷平衡浓度 418

S5扩散 420

S5.1扩散方程 420

S5.2非稳态扩散 420

S5.3随机行走扩散 422

S5.4浓度分布（图） 426

S5.5 Fick扩散定律和扩散方程 428

S5.6渗透深度（透深） 430

S6磁性能 431

S6.1原子的磁性 431

S6.2磁性材料的类型 432

S6.3晶体场分裂 434

问题和练习答案 436

化学式索引 446

主题索引 452