晶粒边界

晶粒边界是两个晶粒之间，或在界面微晶、多晶材料。晶粒边界是2D缺陷在晶体结构中，并且趋向于降低电和热传导性的材料制成。大多数晶粒边界是发生腐蚀和从固体中析出新相的首选位置。它们对于许多蠕变机制也很重要。另一方面，晶粒边界破坏了位错的运动如Hall-Petch关系所描述的，通过减小材料的微晶尺寸，是提高机械强度的常用方法。研究晶粒边界及其对材料的机械、电学和其他性能的影响是材料科学的重要课题。

晶粒边界是杂质偏析的优先位，杂质可能形成与主体不同组成的薄层。例如，氮化硅中经常存在二氧化硅薄层，其也包含杂质阳离子。这些晶粒边界相在热力学上是稳定的，可以认为是准二维相，类似于体相，它们可能会发生转变。在这种情况下，在热力学参数（例如温度或压力）的临界值下，结构和化学性质可能会发生突然变化。这可能会严重影响材料的宏观性能，例如电阻或蠕变率。可以使用平衡热力学分析晶粒边界，但不能将其视为相，因为它们不满足吉布斯的定义：它们不均匀，可能具有结构，组成或性质的梯度。因此，它们被定义为肤色：一种界面材料或层，其邻接相处于热力学平衡状态，厚度有限且稳定（通常为2–20Å）。肤色需要邻接相存在，并且其组成和结构必须与邻接相不同。与本体相相反，肤色也取决于邻接相。例如，存在于Si ₃ N ₃中的富含二氧化硅的非晶层约为10，但是对于特殊边界，该平衡厚度为零。呈色的不同，肤色可分为6类：单层、双层、三层、纳米层（平衡厚度在1-2 nm之间）和润湿。在xxx种情况下，层的厚度将是恒定的。如果存在多余的材料，它将在多个晶粒结处偏析，而在最后一种情况下，则没有平衡厚度，这由材料中存在的第二相的数量决定。晶界络合转变的一个例子是掺杂Au的Si中从干界到双层的过渡，这是由于Au的增加而产生的。

晶界可以通过溶质分离而脆化而机械地引起破坏（参见欣克利角A核电站），但它们也可能有害地影响电子性能。在金属氧化物中，理论上已经表明，在Al ₂ O ₃和MgO的晶界处，绝缘性能会xxx降低。使用密度泛函理论对晶界的计算机模拟表明，带隙最多可以减少45％。在金属的情况下，当晶粒尺寸相对于其他散射的平均自由程变得重要时，晶界会增加电阻率。

众所周知，大多数材料是多晶的并且包含晶界，并且晶界可以充当点缺陷的汇和传输路径。但是，从实验和理论上确定缺陷对系统的影响点很困难。关于点缺陷行为的复杂性的有趣例子已经体现在塞贝克效应的温度依赖性上。另外，电介质和压电响应可以通过晶界附近点缺陷的分布而改变。机械性能也可能受到诸如体积模量和阻尼的影响，而材料的点缺陷分布的变化会影响阻尼。还发现，由于晶界和点缺陷之间的复杂关系，可以调节石墨烯内的近藤效应。最近的理论计算表明，点缺陷在某些晶界类型附近可能是非常有利的，并且随着带隙的减小而显着影响电子性能。