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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