[科普中國]-面缺陷

面缺陷是指一塊晶體常常被一些界面分隔成許多較小的疇區(qū)，疇區(qū)內(nèi)具有較高的原子排列完整性，疇區(qū)之間的界面附近存在著較嚴重的原子錯排。這種發(fā)生于整個界面上的廣延缺陷被稱作面缺陷，即在工程材料學(xué)中，面缺陷是指二維尺度很大而第三維尺度很小的缺陷。

簡介晶體偏離周期性點陣結(jié)構(gòu)的二維缺陷稱為面缺陷。從點陣結(jié)構(gòu)的周期性要求來說，晶體表面就是一種二維缺陷。在晶體中，兩個相鄰的部分如果取向、成分、點陣類型與點陣常數(shù)不同，在它們的接觸處便有界面存在。在界面處晶體的取向、成分、結(jié)構(gòu)與點陣常數(shù)不連續(xù)。因此，界面是晶體巾的二維缺陷。

晶體中的界面義分為晶界和相界兩類。金屬或合金中相鄰的同相晶?？梢砸蛉∠虿煌ㄎ幌嗖睿┒纬山缑?。這類在單相金屬或合金中，位向不同的相鄰晶粒之間的界面稱為晶界。但這些晶粒也并不是理想的單晶體。除含有空位、位錯以外，每個晶粒又可分為若干個更小的亞晶粒。晶粒的平均直徑通常在0.015～0.25mm范圍內(nèi)，而亞晶粒的平均直徑則一般為0.001mm的數(shù)量級。一個亞晶粒比較接近于理想的單晶體。相鄰亞晶粒之間也具有一定的位向差，它們之間的界面叫亞晶界。

合金的組織往往由兩個或更多的相組成。一般情況下，不同的相具有不同的晶體結(jié)構(gòu)與不同的化學(xué)成分。在某些情況下兩個相的晶體結(jié)構(gòu)可能相同，但這時它們的點陣常數(shù)總有一定差別。這樣，相鄰兩個相之間便由界面隔開。這種界面叫做相界面或相界。鋼中的鐵素體與滲碳體之間的界面就是常見的相界。

實際金屬材料巾存在著大量的界面。界面是金屬材料的組織與結(jié)構(gòu)的重要組成部分。金屬材料存光學(xué)金相顯微鏡和電子顯微鏡下呈現(xiàn)出來的組織和結(jié)構(gòu)就是由界面和位錯構(gòu)成的。界面是凝固、形變和熱處理過程的產(chǎn)物。而形變和熱處理前已經(jīng)存在的界面又會影響形變和熱處理的過程與結(jié)果。界面對于金屬材料的力學(xué)、物理與化學(xué)性能具有重要的影響。無論是因位向不同形成的晶界和亞晶界，或是兇結(jié)構(gòu)、成分不同形成的相界，界面上的原子排列組態(tài)都和晶內(nèi)不同。1

面缺陷的種類面缺陷的種類繁多，金屬晶體中的面缺陷主要有兩種：晶界和亞晶界。結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對于晶體的物理性能有著廣泛的影響。晶體中相鄰疇區(qū)間的交接往往不是任意的，通常只有那些點陣匹配度較好，具有特定形態(tài)及結(jié)構(gòu)，因而界面能較低的面缺陷能夠存在。人們通常按界面兩側(cè)晶體結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系將其分為平移界面、孿晶界面及晶粒間界三大類別。

平移界面界面兩側(cè)晶體以一特征的非點陣平移相聯(lián)系者稱平移界面，包括堆垛層錯、反相疇界和結(jié)晶切變面等面缺陷。堆垛層錯常見于密堆積結(jié)構(gòu)及層狀結(jié)構(gòu)的晶體中，是晶體的密排面按正常順序堆垛時引入反常順序堆垛所形成的一種面缺陷。例如，面心立方晶體以 {111}六方密排面按密堆積方式堆垛而成，正常堆垛順序是……ABCABC……（A、B、C分別標記原子位置為a、b、c的原子層）。若引入反常順序堆垛，則成……ABC↑BC……或……ABC↑BABC……，前者相當于抽走A層，后者相當于插入B層，分別稱作抽出型層錯和插入型層錯。層錯的引入使其兩側(cè)的晶體相對位移了 ，但晶體仍保持為密堆積結(jié)構(gòu)，因而具有較低的界面能量。反相疇界是有序固溶體合金中有序疇間的界面，與有序超結(jié)構(gòu)的非點陣平移相關(guān)，使界面兩側(cè)近鄰原子對的性質(zhì)與正常有序態(tài)不同，但無明顯點陣畸變。如果這種非點陣平移發(fā)生于非化學(xué)配比的化合物晶體中，則稱結(jié)晶切變面。這兩種面缺陷都造成局域的組分變化，因而是晶體容納對化學(xué)配比偏離的有效方式。

孿晶界面第二類面缺陷稱為孿晶界面（見孿晶），它所分隔開的兩部分晶體間以特定的取向關(guān)系相交接， 從而構(gòu)成新的附加對稱元素，如反映面、旋轉(zhuǎn)軸或?qū)ΨQ中心。在鐵電晶體中，這種附加對稱關(guān)系造成了兩部分晶體極化方向的差異，其界面稱為鐵電疇界。

晶粒間界第三類面缺陷為晶粒間界，它們是以任意取向關(guān)系相交接的兩晶粒間的界面。

晶體中的面缺陷面缺陷是指在：個方向上尺寸很大而在第三個方向上尺寸很小的缺陷，也稱二維缺陷。金屬中的面缺陷豐要有：

①表面：固體與氣體（或液體）的分界面；

②晶界、亞晶界和孿晶界：多晶體內(nèi)部成分、結(jié)構(gòu)相同但取向不同的晶粒（或亞晶、孿晶）之間的界面；

③相界：材料中成分、結(jié)構(gòu)不同的兩相之間的界面；

④堆垛層錯（晶體中晶面正常的堆垛次序發(fā)生了差錯的現(xiàn)象）。2

界面位錯與面缺陷的關(guān)系界面缺陷可由點陣錯配而產(chǎn)生，也可因試樣加工時被稍稍切斜而產(chǎn)生。這些位錯在薄膜中能生出層錯。生長在GaAs上的ZnS膜就是這樣一個例子。ZnS是用于光發(fā)射裝置和電致發(fā)光裝置中的重要材料。典型的例子就是ZnS晶體與GaAs基底間的界面區(qū)域，ZnS的[001]方向垂直于界面而生長，基底與膜間的不匹配被分散在由層錯和位錯這樣的缺陷所隔開的良好匹配區(qū)中。ZnS膜疇的顯微結(jié)構(gòu)特征是起源于界面位于{111}晶面族上的層錯，兩層錯間的平均距離約為8nm。在界面上層錯的密度相對較高，但從面間擴展至膜內(nèi)大于約70nm處寸，缺陷密度就較低了。而生長厚度超過100nm的膜幾乎沒有缺陷了，因此缺陷可自由生長。這一點對高效低電壓電子裝置非常重要。3

硅化物中的面缺陷金屬晶體的面缺陷面缺陷是指兩個方向尺寸較大，一個方向尺寸較小的缺陷，晶體的自由表面、晶界、相界和層錯面等都屬于面缺陷。一般金屬材料多以多晶狀態(tài)使用，晶界是多晶體中的一種重要的面缺陷。晶界對多晶體材料的物理和化學(xué)性質(zhì)有著重要影響。材料的強度和斷裂等力學(xué)行為，以及幾乎所有重要的力學(xué)現(xiàn)象都受到晶界的控制，例如晶界擴散、偏聚、作為高溫蠕變和燒結(jié)過程中點缺陷的源和阱等等。人們很早就認識到了多晶材料的許多性能與晶界的結(jié)構(gòu)有關(guān)，并不斷地作出努力以搞清晶界的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，以及它們與性能之間的關(guān)系。孿晶是指兩個晶體（或一個晶體的兩部分）沿一個公共晶面（即特定取向關(guān)系）構(gòu)成鏡面對稱的位相關(guān)系，這兩個晶體稱為孿晶，又稱雙晶，其對應(yīng)晶面稱之為孿晶面。

硅化物作為一種很有前途的高溫結(jié)構(gòu)材料，要求其有良好的高溫力學(xué)性能和抗氧化、抗蠕變性能，而高溫下晶界的強化和擴通道效應(yīng)更加明顯；同時部分硅化物需添加增韌相，相界面的匹配關(guān)系也影響兩相的結(jié)合力，因此有必要了解晶體內(nèi)的面缺陷，諸如堆垛層錯、晶界等與組織性能的關(guān)系。

硅化物中的堆垛層錯層錯是晶體結(jié)構(gòu)中堆垛次序發(fā)生變化而引發(fā)的一種缺陷，在單晶材料中是一種重要的缺陷，對材料性能的影響也很大。因為層錯使晶面產(chǎn)生錯排，所以會使能量增加，單位面積層錯所增加的能量稱為層錯能。層錯能的大小對材料在熱變形過程中位錯的運動有較大的影響：對于高層錯能的材料，位錯的交滑移和攀移過程容易進行，因而熱加工時容易發(fā)生動態(tài)回復(fù)，甚至回復(fù)過程可以完全和應(yīng)變硬化平衡。而具有低或中等層錯能的金屬，它的回復(fù)過程比較慢，熱加工過程中，動態(tài)回復(fù)未能同步抵消加工過程中位錯的增殖積累，在某一臨界變形條件下，會發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶。因此，研究層錯能的大小對材料的熱變形，尤其是硅化物的高溫塑性變形的變形機制有重要的意義。4

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

王偉 - 副教授 - 上海交通大學(xué)