1、浅 谈 固 体 物 理 中 的 晶 体 缺 陷20074051024 刘 珊 珊实 际 晶 体 或 多 或 少 存 在 各 种 杂 质 和 缺 陷 。 依 照 传 统 的 分 类 有 ： 点 缺 陷 、线 缺 陷 （ 见 位 错 ） 和 面 缺 陷 。 它 们 对 固 体 的 物 性 以 及 功 能 材 料 的 技 术 性 能 都起 重 要 的 作 用 。 半 导 体 的 电 学 、 发 光 学 等 性 质 依 赖 于 其 中 的 杂 质 和 缺 陷 。 大规 模 集 成 电 路 的 工 艺 中 控 制 (和 利 用 )杂 质 和 缺 陷 是 极 为 重 要 的 。 目 前 人 们感 兴 趣
2、的 有 深 能 级 杂 质 、 发 光 中 心 机 理 、 无 辐 射 跃 迁 的 微 观 过 程 等 。 H.A.贝 特 在 1929 年 用 群 论 方 法 分 析 晶 体 中 杂 质 离 子 的 电 子 能 级 的 分 裂 ， 开 辟 了晶 体 场 的 新 领 域 。 数 十 年 来 在 这 领 域 积 累 了 大 量 的 研 究 成 果 ， 为 顺 磁 共 振 技术 、 微 波 激 射 放 大 器 、 固 体 激 光 器 的 出 现 准 备 了 基 础 。 金 属 中 的 杂 质 对 其 物理 性 质 有 广 泛 的 影 响 。 最 为 突 出 的 是 磁 性 杂 质 对 金 属 低
3、温 下 物 性 的 影 响 ， 这个 现 象 称 为 近 藤 效 应 ， 因 为 近 藤 淳 在 1946 年 首 先 提 出 说 明 这 现 象 的 理 论 。磁 杂 质 对 超 导 体 的 性 质 有 显 著 影 响 ， 会 降 低 其 临 界 温 度 。 在 特 殊 物 质 （ 例 如 ,LaAl2、 CoAl2） 中 ,近 藤 杂 质 可 使 这 合 金 在 温 度 T 吤 进 入 超 导 电 状 态 又 于T 扖 离 开 这 个 状 态 。 此 外 ,离 子 晶 体 中 的 缺 陷 对 色 心 现 象 和 电 导 过 程 占 有 决定 性 的 地 位 。 . .夫 伦 克 耳 对 金
4、 属 强 度 的 理 论 值 作 了 估 计 ， 远 大 于 实 际的 强 度 ， 这 促 使 人 们 去 设 想 金 属 中 存 在 某 种 容 易 滑 移 的 线 缺 陷 。 1934 年G.I.泰 勒 、 E.奥 罗 万 和 M.波 拉 尼 独 立 地 提 出 刃 位 错 理 论 说 明 金 属 强 度 。F.C.夫 兰 克 在 1944 年 根 据 实 验 观 察 结 果 提 出 螺 位 错 促 进 晶 体 生 长 的 理 论 ，后 来 ， 人 们 利 用 电 子 显 微 术 直 接 看 到 位 错 的 运 动 。 位 错 以 及 它 同 杂 质 和 缺 陷的 互 作 用 对 晶 体
5、的 力 学 、 电 学 性 质 有 重 大 影 响 。 甚 至 ， 晶 体 熔 化 也 可 能 同 位错 的 大 量 产 生 有 关 。 随 着 晶 体 生 长 技 术 发 展 ， 人 们 又 发 现 了 层 错 一 种面 缺 陷 。 硬 铁 磁 体 、 硬 超 导 体 、 高 强 度 金 属 等 材 料 的 功 能 虽 然 很 不 同 ,但 其 技 术性 能 之 所 以 强 或 硬 ,却 都 依 赖 于 材 料 中 一 种 缺 陷 的 运 动 。 在 硬 铁 磁 体 中 这 缺陷 是 磁 畴 壁 （ 面 缺 陷 ） ， 在 超 导 体 中 它 是 量 子 磁 通 线 ， 在 高 强 度 金
6、属 中 它 是位 错 线 ， 采 取 适 当 工 艺 使 这 些 缺 陷 在 材 料 的 微 结 构 上 被 钉 住 不 动 ， 有 益 于 提高 其 技 术 性 能 。 高 分 辨 电 子 显 微 术 正 促 使 人 们 在 更 深 的 层 次 上 来 研 究 杂 质 、 缺 陷 和 它 们的 复 合 物 。 电 子 顺 磁 共 振 、 穆 斯 堡 尔 效 应 、 正 电 子 湮 没 技 术 等 已 成 为 研 究 杂质 和 缺 陷 的 有 力 手 段 。 在 理 论 上 借 助 于 拓 扑 学 和 非 线 性 方 程 的 解 ， 正 为 缺 陷的 研 究 开 辟 新 的 方 向 （ 见 晶
7、 体 缺 陷 ） 。 固 体 物 理 学 表 面 和 界 面 以 及 超 点 阵 和 低 维 固 体 这 是 近 二 十 年 来 固 体 物 理 学 中 新 兴的 领 域 。 从 60 年 代 起 人 们 开 始 在 超 高 真 空 条 件 下 研 究 晶 体 表 面 的 本 征 特 性以 及 吸 附 过 程 等 。 通 过 粒 子 束 （ 光 束 、 电 子 束 、 离 子 束 或 原 子 束 ） 和 外 场（ 温 度 、 电 场 或 磁 场 ） 与 表 面 的 相 互 作 用 ， 获 得 有 关 表 面 的 原 子 结 构 、 吸 附物 特 征 、 表 面 电 子 态 以 及 表 面 元
8、激 发 等 信 息 ， 加 上 表 面 的 理 论 研 究 ， 形 成 表面 物 理 学 。 这 些 新 的 实 验 手 段 主 要 是 各 种 表 面 能 谱 仪 。 它 们 及 其 分 析 方 法 已经 发 展 成 为 表 面 技 术 ， 广 泛 用 于 大 规 模 集 成 电 路 监 控 和 分 析 等 领 域 。 同 体 内相 比 ， 晶 体 表 面 具 有 独 特 的 结 构 和 物 理 、 化 学 性 质 。 这 是 由 于 表 面 原 子 所 处的 环 境 同 体 内 原 子 不 一 样 ， 在 表 面 几 个 原 子 层 的 范 围 ， 表 面 的 组 分 和 原 子 排列 形
9、 成 的 二 维 结 构 都 同 体 内 与 之 平 行 的 晶 面 不 一 样 的 缘 故 。 表 面 微 观 粒 子 所处 的 势 场 同 体 内 不 一 样 ， 因 而 形 成 独 具 特 征 的 表 面 粒 子 的 运 动 状 态 ， 限 制 粒子 只 能 在 表 面 层 内 运 动 并 具 有 相 应 的 本 征 能 量 ， 它 们 的 行 为 对 表 面 的 物 理 、化 学 性 质 起 重 要 作 用 。 界 面 有 固 体 固 体 、 固 体 -液 体 、 固 体 -气 体 界 面 之分 。 固 体 器 件 的 基 础 是 在 界 面 发 生 的 物 理 过 程 ， 随 着 微
10、 电 子 技 术 发 展 ， 器 件的 尺 寸 日 益 缩 小 ， 表 面 和 界 面 的 物 理 效 应 更 加 突 出 。 特 别 是 硅 场 效 应 管 的 硅 二 氧 化 硅 界 面 形 成 表 面 势 阱 ， 在 其 中 的 电 子 构 成 二 维 运 动 的 电 子 气 ， 具 有独 特 的 性 质 ， 包 括 电 子 态 局 域 化 和 K.von 克 利 青 在 1980 年 发 现 的 量 子 霍耳 效 应 以 及 D.C.崔 琦 在 1981 年 发 现 的 分 数 量 子 霍 耳 效 应 ， 涉 及 固 体 物 理 基本 问 题 的 现 象 。 许 多 电 化 学 过 程
11、 发 生 在 固 体 -电 解 液 界 面 ,腐 蚀 则 常 发 生 于固 体 -气 体 和 固 体 -液 体 界 面 ， 因 此 界 面 物 理 和 表 面 物 理 一 样 具 有 巨 大 的 实 际意 义 。 能 带 理 论 用 于 表 面 和 界 面 的 电 子 态 的 计 算 仍 然 有 效 。 由 于 表 面 、 界 面 电子 的 势 能 依 赖 于 表 面 态 、 界 面 态 中 电 子 的 填 充 情 况 ， 因 此 计 算 必 须 是 自 洽 的 。能 带 理 论 同 表 面 技 术 的 结 合 导 致 半 导 体 超 点 阵 材 料 出 现 。 分 子 束 外 延 技 术 使
12、制 备 这 种 材 料 成 为 现 实 。 再 利 用 调 制 掺 杂 技 术 ,可 制 备 出 高 迁 移 率 晶 体 管 用于 微 波 技 术 ， 以 及 性 能 优 越 的 激 光 器 用 于 光 电 子 学 技 术 。 用 这 种 材 料 特 制 的样 品 ， 在 低 温 和 强 磁 场 下 也 观 察 到 分 数 的 量 子 霍 耳 效 应 。 金 属 超 点 阵 的 研 究也 正 在 增 长 （ 见 超 结 构 ） 。 低 维 固 体 还 包 括 层 状 化 合 物 和 链 状 结 构 的 物 质 以 及 微 颗 粒 组 成 的 固 体 。它 们 具 有 独 特 的 物 理 性 质
13、 和 微 观 过 程 。 是 目 前 很 活 跃 的 研 究 领 域 ， 在 应 用 上富 有 潜 力 。 层 状 结 构 化 合 物 的 主 要 特 点 是 它 的 能 带 结 构 和 电 导 率 都 是 各 向 异性 的 ， 平 行 于 层 面 的 电 导 率 与 垂 直 层 面 的 电 导 率 之 比 可 达 千 倍 至 十 万 倍 。 有的 材 料 电 导 率 可 与 铜 、 铝 相 比 ， 在 层 状 材 料 中 由 于 费 密 面 的 结 构 以 及 与 之有 关 的 不 稳 定 性 质 存 在 着 电 荷 密 度 波 或 自 旋 密 度 波 。 链 状 材 料 具 有 准 一 维
14、 的结 构 ， 有 的 是 导 体 ， 有 的 是 半 导 体 ， 也 有 的 在 一 定 压 力 下 成 为 超 导 体 。 特 别是 聚 乙 炔 等 一 维 有 机 半 导 体 。 它 具 有 两 种 不 同 的 基 本 结 构 ， 两 种 结 构 交 接 处是 一 个 界 区 ,形 成 类 似 孤 立 子 缺 陷 态 ,掺 杂 可 使 “孤 立 子 ”带 电 。 它 在 链 上运 动 引 起 电 导 。 利 用 聚 乙 炔 已 可 制 成 半 导 体 器 件 ， 展 示 其 应 用 前 景 （ 见 低维 导 体 ） 。 编 辑 本 段 非 晶 态 固 体非 晶 态 固 体 的 物 理 性
15、 质 同 晶 体 有 很 大 差 别 ， 这 同 它 们 的 原 子 结 构 、 电 子态 以 及 各 种 微 观 过 程 有 密 切 联 系 。 从 结 构 上 来 分 ， 非 晶 态 固 体 有 两 类 （ 见 无序 体 系 ） 。 一 类 是 成 分 无 序 ， 在 具 有 周 期 性 的 点 阵 位 置 上 随 机 分 布 着 不 同 的原 子 （ 如 二 元 无 序 合 金 ） 或 者 不 同 的 磁 矩 （ 如 无 序 磁 性 晶 体 ） 。 在 这 类 体 系中 物 理 量 不 再 有 平 移 对 称 性 。 另 一 类 是 结 构 无 序 ， 表 征 长 程 序 的 周 期 性
16、 完 全破 坏 ， 点 阵 失 去 意 义 。 但 近 邻 原 子 有 一 定 的 配 位 关 系 ,类 似 于 晶 体 的 情 形 ,因 而 仍 然 有 确 定 的 短 程 序 。 例 如 ， 金 属 玻 璃 是 无 规 密 积 结 构 ， 而 非 晶 硅 是 四面 体 键 组 成 的 无 规 网 络 。 实 际 情 形 或 许 更 加 复 杂 ， 可 能 存 在 一 些 微 晶 结 构 的原 子 簇 。 例 如 ， 非 晶 硅 中 存 在 非 晶 基 元 。 20 年 代 发 现 并 在 70 年 代 得 到 发展 的 扩 展 X 射 线 吸 收 精 细 结 构 谱 (EXAFS)技 术
17、成 为 研 究 非 晶 态 固 体 原 子 结构 的 重 要 手 段 。 无 序 体 系 的 电 子 态 具 有 其 独 特 的 性 质 ， P.W.安 德 森 (1958)在他 的 富 有 开 创 性 的 工 作 中 ， 探 讨 了 无 序 体 系 中 电 子 态 局 域 化 的 条 件 ， 10 年之 后 ， N.F.莫 脱 在 此 基 础 上 建 立 了 非 晶 态 半 导 体 的 能 带 模 型 ， 提 出 迁 移 率边 的 概 念 。 以 非 晶 硅 或 锗 为 例 ， 它 的 禁 带 宽 度 依 赖 于 原 子 间 的 互 作 用 ， 能 带宽 度 依 赖 于 原 子 的 价 键
18、之 间 的 耦 合 。 在 无 序 体 系 中 ， 电 子 态 有 局 域 态 和 扩 展态 之 分 。 在 局 域 态 中 的 电 子 只 有 在 声 子 的 合 作 下 才 能 参 加 导 电 。 这 使 得 非 晶态 半 导 体 的 输 运 性 质 具 有 新 颖 的 特 点 。 1974 年 人 们 掌 握 了 在 非 晶 硅 中 掺 杂的 技 术 ， 现 在 非 晶 硅 正 成 为 制 备 廉 价 的 高 效 率 太 阳 能 电 池 的 重 要 材 料 。 非 晶 态 合 金 具 有 特 殊 的 物 理 性 质 。 例 如 ， 它 们 的 电 阻 率 较 大 而 其 温 度 系数 小
19、 。 有 的 材 料 有 很 大 的 拉 伸 强 度 ， 有 的 具 有 优 异 的 抗 腐 蚀 性 ， 可 与 不 锈 钢相 比 。 非 晶 态 磁 性 合 金 具 有 随 机 变 化 的 交 换 作 用 ， 可 导 致 居 里 温 度 的 改 变（ 大 多 数 材 料 居 里 温 度 变 低 ） ,同 时 在 无 序 体 系 中 ,缺 陷 失 去 原 有 的 意 义 。因 而 非 晶 态 磁 性 固 体 可 以 在 较 低 的 外 磁 场 下 达 到 饱 和 ， 磁 损 耗 减 小 。 所 以 ，非 晶 态 合 金 具 有 多 方 面 用 途 。 关 于 多 孔 物 质 的 物 理 性 质 近 年 来 已 开 始 受 到 人 们 的 注 意 。 无 序 体 系 是 一 个 复 杂 的 新 领 域 ， 非 晶 态 固 体 实 际 上 是 一 个 亚 稳 态 。 目 前对 许 多 基 本 问 题 还 存 在 着 争 论 ， 有 待 进 一 步 的 探 索 和 研 究 （ 见 非 晶 态 材 料 ）。
