晶体缺陷的测定及其与固体性质的关系

任何事物都不是完美的，晶体也是如此。所有的晶体中都存在各种各样的缺陷。而这些缺陷大致分为如下几类：点缺陷(零维缺陷，图1)包括填隙原子、空位、替换杂质原子和填隙杂质原子；线缺陷(一维缺陷，图2)包括边缘位错和螺旋(形) 位错；面缺陷(二维缺陷)包括堆垛层错、孪晶界、多晶晶界等；体缺陷(三维缺陷)包括宏观的或亚微观的空穴、杂相等。

晶体中形形色色的缺陷，影响着晶体的力学、热学、电学、光学等方面的性

质。因此，在实际工作中，人们一方面尽量减少晶体中的有害的缺陷，另一方面则利用缺陷来制造所需要的材料，即通过控制缺陷的类型和分布达到获得高性能材料的目的。

然而，对缺陷的控制是以对各种晶体缺陷的测定为基础的。缺陷区域可能只

有晶格常数的数量级那么大，例如杂质、空位等点缺陷；也可能大到能用肉眼观察的程度，例如体缺陷等。

20世纪初叶，X射线衍射方法的应用为晶体缺陷研究开辟了道路，使我们能够在原子水平上去认识并研究缺陷； 20 世纪50年代以后，电子显微镜技术将显微组织和晶体结构之间的空白填补起来了，这项技术也成为了研究晶体缺陷的主要手段；而多种光谱及能谱技术对于澄清电子结构、缺陷性质和探测化学成分起了重要作用。但是，上述这些方法都有各自的优缺点。

通过透射电子显微镜、扫描电子显微镜、场离子显微镜、原子探针技术(包括原子力显微镜和扫描隧道显微镜)我们可以直接观测各种类型的晶体缺陷而且能达到很高的分辨率。但是这些方法只能适用于精细样品，观测过程会给完整宏观晶体带来破坏；而且只能观测表面或者厚度非常薄的区域，不适用于观测大面积样品中的全部缺陷，因此不能非常明确地确定位错的类型和组态。

X射线衍射貌相法的观测不破坏样品，一次能拍摄全部貌相的图像，同时能够检测视场范围内晶体表面及体内的全部缺陷甲。它的缺点是分辨率较差(只能在微米水平)，成像时间较长等；而且由于低分辨率，在处理不同类型位错的杂乱分布的情况时，很难从衍射图中辨识出位错特有的衍射效应4。对多晶的缺陷观测，目前还没有完善的理论和技术，衍射貌相法大多用于观测近完整晶体中的单个缺陷。

电子顺磁及核磁共振、穆斯堡尔效应、正电子湮没技术、深能级瞬态谱和傅里叶变换红外光谱等手段不能够定位这些缺陷，有些方法有时仅限于对半导体等材料的掺杂缺陷进行表征。因此，在缺陷的测定方面，既适用于大面积观测又能以极高的分辨率确定各种晶体缺陷的类型及分布的技术依然是一-个极具挑战性的难题。在实验观测基础上的理论计算比如拓扑学和非线性方程的求解能为缺陷的研究提供重要的理论指导，但这也是-一个充满挑战的极有难度的领域，在固体材料的性质和功能方面，晶体的各种杂质和缺陷对固体的物性以及功能材料的性能都有着重要的影响。

半导体的电学、发光等性质很多也依赖于其中的杂质和缺陷；大规模集成电路工艺中控制和利用杂质及缺陷也是极为重要的。很多功能材料比如硬铁磁体、硬超导体、高强度金属等材料，其性能之所以强或硬，都依赖于材料中某种缺陷的运动。这种缺陷在硬铁磁体中是磁畴壁，在超导体中是量子磁通线，在高强度金属中是位错线。

采取适当工艺以保持这些缺陷在材料的微结构上的稳定性，有利于保持甚至提高材料的技术性能。所以，在对晶体中缺陷的研究中，寻找控制晶体缺陷类型及组态分布的方法和规律是十分重要的。同时，以现有的科学技术水平，通过实验手段和生产工艺去针对性地调节控制晶体缺陷以得到具有预期的优异性质的功能材料依然不能很好地实现，而且缺陷类型及分布与固体性质的关系也尚未完全理清。大多数高性能材料的制备都是依据大量实验摸索取得的经验规律而取得成功的，距离有目的的设计合成还相去甚远。

随着测量手段的不断改进和对晶体缺陷研究的不断深人，晶体缺陷的类型、

移动、组态分布及内在的热力学和动力学等方面的一些规律将会逐步被揭示，同时晶体缺陷对材料的性质的影响规律也必将被逐步探明。理清“工艺-材料-功能”三者之间的关系，最终获得更多具有优异功能的材料，必将极大地促进材料科学的发展。