离子晶体中的点缺陷

1§12-5离子晶体中的点缺陷及离子性导电这节内容包括两方面：(一)、色心；(二)、离子导电性。2(一)、色心离子晶体中的点缺陷可以引起可见光的吸收，使原来透明的晶体出现颜色，这类能吸收可见光的点缺陷通过常称为色心。最简单的色心是F心（名称来自于德语“Farbe”一词，意思是颜色），它是将卤化碱晶体在碱金属蒸气中加热，然后冷却至室温，晶体便会出现颜色。例如：NaCl黄色NaKCl紫色KFLi粉红色Li这些晶体的吸收谱在可见光区出现的吸收带，通常称F带。3F心的物理机制及实质电子进入晶体的碱金属原子（以一价正离子形态）负离子空位卤化碱在碱金属中加热又冷却过程中，金属原子进入晶体中，以一价正离子形式占据正常格点位置，并多余一个电子。同时，由于晶体中碱金属的成分过多而破坏原来成分的比例，将会出现负离子空位。4F心的物理机制及实质负离子空位是一个带正电的缺陷，将吸引多余的电子，以保持电中性，即多余的那个电子将会被负离子空位俘获，而束缚在其周围，形成F心。F心的实质就是一个负离子空位和一个被它束缚的电子所组成的体系。电子进入晶体的碱金属原子（以一价正离子形态）负离子空位F心（一个负离子空位和一个被束缚的电子体系）5V心的物理机制及实质另一种简单的色心是V心，它是将卤化碱晶体在卤族元素蒸气中进行热处理而形成的。将卤化碱晶体中卤族元素蒸气中进行热处理后，卤素原子进入晶体中，以一价负离子形式占据正常格点位置，形成负离子时所缺少的电子是从近邻的离子上获取的，从而在近邻离子上将会出现电子“空穴”。这种电子“空穴”可以在晶体中移动，等价于一种带正电的粒子。电子“空穴”进入晶体的卤素原子（一价负离子形态）正离子空位6V心的物理机制及实质同时，由于晶体中卤素的成分过多而破坏原来成分的比例，将会出现正离子空位。正离子空位是一个负电中心，将吸引并俘获这种电子“空穴”。这种一个负电中心束缚一个电子“空穴”所组成的体系，称为V心。V心的存在使晶体出现的吸收带常称为V带，其频率比F带高，一般出现在紫外区域。电子“空穴”进入晶体的卤素原子（一价负离子形态）正离子空位V心（一个正离子空位加一个被束缚的电子“空位”）7(二)、离子导电性在理想的离子晶体中，没有自由电子，离子又难以在晶体内移动，所以是典型的绝缘体。但实际离子晶体中，存在着缺陷和杂质，则离子可以借助于缺陷的运动而使晶体具有一定的导电性。例如：离子晶体中的点缺陷，其特点是带有一定的电荷：(ⅰ)在无外场条件下，这些缺陷作无规则布朗运动；(ⅱ)有外场存在时，外电场对其所带电荷的作用，使布朗运动产生一定的“偏向”，从而引起宏观电流，离子成为载流子，这种现象称为离子导电性。8离子电导率描述离子导电性的物理量是离子电导率，下面从一个正的间隙离子在外电场作用下的运动来具体考虑离子电导率问题。Eed21Eed21d(a)设间隙原子沿虚线运动；(b)无外场，势场对称，间隙原子向两侧跳跃几率相同；(c)有外场，势场不对称，间隙原子向两侧跳跃几率不同9离子电导率外场使两侧势垒高度发生不同的变化，左右两边的势垒高度分别变为：EqdEqd2121和则间隙原子向右和向左的跳跃率有不同的值，TkEqdBe)(210左TkEqdBe)(210右可理解为每秒向左跳跃的步数；可理解为每秒向右跳跃的步数；10离子电导率这样，原来无规的跳跃发生了沿电场方向的偏向，每秒净余向右跳跃的步数为：左右则间隙原子向右运动的速度，即每秒平均沿电场移动的距离为：][TkEqdTkEqdTkdBBBeededv220常称这种由于外场影响，在原来无规运动之上所引起的平均运动为“漂移”，则vd即为这种漂移运动的速度。11离子电导率一般情况下，EqdkBT，称为离子迁移率，其中：漂移运动速度可化简为，则有即,)(;)(;TkBTkBBTkdBTkEqdBBBBBedTkqEEedTkqTkEqddevTkEqdeTkEqd020202211212离子电导率TkBoBedTkqnEj202与前面所学相比，还可得出下列结论：(1)迁移率与间隙原子或离子扩散系数：TkqDedTkqBTkBB)(02(2)电流密度与漂移速度：EedTkqqnEqnqvnjTkBoodB200(3)离子电导率：Ej这里，n0为单位体积内间隙离子数目13离子电导率小结TkBoBedTkqn202(1)离子电导率σ密切依赖于温度，除明显的指数关系外，其中n0也与温度有类似指数变化的关系。(2)离子导电性有两种类型：本征导电性和杂质导电性。第一、对于不含杂质的离子晶体，其导电性由固有的热缺陷决定，称本征导电性；第二、对于含杂质的离子晶体，其导电性由杂质决定，称杂质导电性。一般高温区以本征导电为主，而低温区以杂质导电为主。离子电导率：