晶体缺陷

晶体缺陷是结晶固体中原子或分子排列规则模式的中断。 粒子的位置和方向以固定距离重复，由晶体中的晶胞参数决定，表现出周期性晶体结构，但这通常是不完美的。 通常表征几种类型的缺陷：点缺陷、线缺陷、平面缺陷、块缺陷。 拓扑同伦建立了一种表征的数学方法。

点缺陷是仅在单个晶格点处或周围发生的缺陷。 它们在任何维度的空间中都没有扩展。 点缺陷有多小的严格限制通常没有明确定义。 然而，这些缺陷通常最多涉及一些额外或缺失的原子。 有序结构中较大的缺陷通常被认为是位错环。 由于历史原因，许多点缺陷，尤其是在离子晶体中，被称为中心：例如，在许多离子固体中的空位被称为发光中心、色心或 F 中心。 这些位错允许离子通过晶体传输，从而导致电化学反应。 这些通常使用 Kröger–Vink 表示法指定。

• 空位缺陷是在完美晶体中占据但空置的晶格位置。 如果相邻原子移动以占据空位，则空位向与移动原子曾经占据的位置相反的方向移动。 周围晶体结构的稳定性保证了相邻的原子不会简单地坍缩在空位周围。 在某些材料中，相邻的原子实际上会从空位移开，因为它们会受到周围原子的吸引。 空位（或离子固体中的一对空位）有时称为肖特基缺陷。
• 间隙缺陷是原子占据了晶体结构中通常没有原子的位置。 它们通常是高能量配置。 一些晶体中的小原子（主要是杂质）可以占据没有高能量的空隙，例如钯中的氢。

• 相邻的一对空位和间隙通常称为 Frenkel 缺陷或 Frenkel 对。 这是当离子移动到间隙位置并产生空位时引起的。

• 由于材料提纯方法的基本限制，材料永远不会是 xxx 纯的，根据定义，这会导致晶体结构缺陷。 在杂质的情况下，原子通常结合在晶体结构中的规则原子位置。 这既不是空位也不是间隙位上的原子，它被称为替代缺陷。 原子不应该存在于晶体中的任何地方，因此是一种杂质。 在某些情况下，替换原子（离子）的半径远小于它要替换的原子（离子）的半径，其平衡位置可能会偏离晶格位置。 这些类型的替代缺陷通常称为偏心离子。 有两种不同类型的替代缺陷：等价替代和异价替代。 等价取代是指取代原始离子的离子与其所取代的离子具有相同的氧化态。 异价取代是指取代原始离子的离子与其正在取代的离子具有不同的氧化态。 异价取代改变离子化合物内的总电荷，但离子化合物必须是中性的。 因此，需要一种电荷补偿机制。 因此，其中一种金属被部分或完全氧化或还原，或者产生离子空位。

• 当不同类型的原子交换位置时，有序合金或化合物中会出现反位缺陷。 例如，一些合金具有规则结构，其中每隔一个原子都是不同的种类； 为了便于说明，假设 A 型原子位于立方晶格的角上，B 型原子位于立方体的中心。 如果一个立方体的中心有一个 A 原子，则该原子位于通常被 B 原子占据的位置上，因此是反位缺陷。 这既不是空位也不是间隙，也不是杂质。
• 拓扑缺陷是晶体中正常化学键合环境在拓扑上不同于周围环境的区域。 例如，在一片完美的石墨（石墨烯）中，所有原子都位于包含六个原子的环中。 如果薄片包含环中原子数不同于六个的区域，而原子总数保持不变，则形成了拓扑缺陷。 一个例子是纳米管中的 Stone Wales 缺陷，它由两个相邻的 5 元原子环和两个 7 元原子环组成。

• 无定形固体也可能含有缺陷。