[科普中国]-面缺陷

面缺陷是指一块晶体常常被一些界面分隔成许多较小的畴区，畴区内具有较高的原子排列完整性，畴区之间的界面附近存在着较严重的原子错排。这种发生于整个界面上的广延缺陷被称作面缺陷，即在工程材料学中，面缺陷是指二维尺度很大而第三维尺度很小的缺陷。

简介晶体偏离周期性点阵结构的二维缺陷称为面缺陷。从点阵结构的周期性要求来说，晶体表面就是一种二维缺陷。在晶体中，两个相邻的部分如果取向、成分、点阵类型与点阵常数不同，在它们的接触处便有界面存在。在界面处晶体的取向、成分、结构与点阵常数不连续。因此，界面是晶体巾的二维缺陷。

晶体中的界面义分为晶界和相界两类。金属或合金中相邻的同相晶粒可以因取向不同（位相差）而形成界面。这类在单相金属或合金中，位向不同的相邻晶粒之间的界面称为晶界。但这些晶粒也并不是理想的单晶体。除含有空位、位错以外，每个晶粒又可分为若干个更小的亚晶粒。晶粒的平均直径通常在0.015～0.25mm范围内，而亚晶粒的平均直径则一般为0.001mm的数量级。一个亚晶粒比较接近于理想的单晶体。相邻亚晶粒之间也具有一定的位向差，它们之间的界面叫亚晶界。

合金的组织往往由两个或更多的相组成。一般情况下，不同的相具有不同的晶体结构与不同的化学成分。在某些情况下两个相的晶体结构可能相同，但这时它们的点阵常数总有一定差别。这样，相邻两个相之间便由界面隔开。这种界面叫做相界面或相界。钢中的铁素体与渗碳体之间的界面就是常见的相界。

实际金属材料巾存在着大量的界面。界面是金属材料的组织与结构的重要组成部分。金属材料存光学金相显微镜和电子显微镜下呈现出来的组织和结构就是由界面和位错构成的。界面是凝固、形变和热处理过程的产物。而形变和热处理前已经存在的界面又会影响形变和热处理的过程与结果。界面对于金属材料的力学、物理与化学性能具有重要的影响。无论是因位向不同形成的晶界和亚晶界，或是凶结构、成分不同形成的相界，界面上的原子排列组态都和晶内不同。1

面缺陷的种类面缺陷的种类繁多，金属晶体中的面缺陷主要有两种：晶界和亚晶界。结构复杂，对于晶体的物理性能有着广泛的影响。晶体中相邻畴区间的交接往往不是任意的，通常只有那些点阵匹配度较好，具有特定形态及结构，因而界面能较低的面缺陷能够存在。人们通常按界面两侧晶体结构之间的关系将其分为平移界面、孪晶界面及晶粒间界三大类别。

平移界面界面两侧晶体以一特征的非点阵平移相联系者称平移界面，包括堆垛层错、反相畴界和结晶切变面等面缺陷。堆垛层错常见于密堆积结构及层状结构的晶体中，是晶体的密排面按正常顺序堆垛时引入反常顺序堆垛所形成的一种面缺陷。例如，面心立方晶体以 {111}六方密排面按密堆积方式堆垛而成，正常堆垛顺序是……ABCABC……（A、B、C分别标记原子位置为a、b、c的原子层）。若引入反常顺序堆垛，则成……ABC↑BC……或……ABC↑BABC……，前者相当于抽走A层，后者相当于插入B层，分别称作抽出型层错和插入型层错。层错的引入使其两侧的晶体相对位移了 ，但晶体仍保持为密堆积结构，因而具有较低的界面能量。反相畴界是有序固溶体合金中有序畴间的界面，与有序超结构的非点阵平移相关，使界面两侧近邻原子对的性质与正常有序态不同，但无明显点阵畸变。如果这种非点阵平移发生于非化学配比的化合物晶体中，则称结晶切变面。这两种面缺陷都造成局域的组分变化，因而是晶体容纳对化学配比偏离的有效方式。

孪晶界面第二类面缺陷称为孪晶界面（见孪晶），它所分隔开的两部分晶体间以特定的取向关系相交接， 从而构成新的附加对称元素，如反映面、旋转轴或对称中心。在铁电晶体中，这种附加对称关系造成了两部分晶体极化方向的差异，其界面称为铁电畴界。

晶粒间界第三类面缺陷为晶粒间界，它们是以任意取向关系相交接的两晶粒间的界面。

晶体中的面缺陷面缺陷是指在：个方向上尺寸很大而在第三个方向上尺寸很小的缺陷，也称二维缺陷。金属中的面缺陷丰要有：

①表面：固体与气体（或液体）的分界面；

②晶界、亚晶界和孪晶界：多晶体内部成分、结构相同但取向不同的晶粒（或亚晶、孪晶）之间的界面；

③相界：材料中成分、结构不同的两相之间的界面；

④堆垛层错（晶体中晶面正常的堆垛次序发生了差错的现象）。2

界面位错与面缺陷的关系界面缺陷可由点阵错配而产生，也可因试样加工时被稍稍切斜而产生。这些位错在薄膜中能生出层错。生长在GaAs上的ZnS膜就是这样一个例子。ZnS是用于光发射装置和电致发光装置中的重要材料。典型的例子就是ZnS晶体与GaAs基底间的界面区域，ZnS的[001]方向垂直于界面而生长，基底与膜间的不匹配被分散在由层错和位错这样的缺陷所隔开的良好匹配区中。ZnS膜畴的显微结构特征是起源于界面位于{111}晶面族上的层错，两层错间的平均距离约为8nm。在界面上层错的密度相对较高，但从面间扩展至膜内大于约70nm处寸，缺陷密度就较低了。而生长厚度超过100nm的膜几乎没有缺陷了，因此缺陷可自由生长。这一点对高效低电压电子装置非常重要。3

硅化物中的面缺陷金属晶体的面缺陷面缺陷是指两个方向尺寸较大，一个方向尺寸较小的缺陷，晶体的自由表面、晶界、相界和层错面等都属于面缺陷。一般金属材料多以多晶状态使用，晶界是多晶体中的一种重要的面缺陷。晶界对多晶体材料的物理和化学性质有着重要影响。材料的强度和断裂等力学行为，以及几乎所有重要的力学现象都受到晶界的控制，例如晶界扩散、偏聚、作为高温蠕变和烧结过程中点缺陷的源和阱等等。人们很早就认识到了多晶材料的许多性能与晶界的结构有关，并不断地作出努力以搞清晶界的结构和性质，以及它们与性能之间的关系。孪晶是指两个晶体（或一个晶体的两部分）沿一个公共晶面（即特定取向关系）构成镜面对称的位相关系，这两个晶体称为孪晶，又称双晶，其对应晶面称之为孪晶面。

硅化物作为一种很有前途的高温结构材料，要求其有良好的高温力学性能和抗氧化、抗蠕变性能，而高温下晶界的强化和扩通道效应更加明显；同时部分硅化物需添加增韧相，相界面的匹配关系也影响两相的结合力，因此有必要了解晶体内的面缺陷，诸如堆垛层错、晶界等与组织性能的关系。

硅化物中的堆垛层错层错是晶体结构中堆垛次序发生变化而引发的一种缺陷，在单晶材料中是一种重要的缺陷，对材料性能的影响也很大。因为层错使晶面产生错排，所以会使能量增加，单位面积层错所增加的能量称为层错能。层错能的大小对材料在热变形过程中位错的运动有较大的影响：对于高层错能的材料，位错的交滑移和攀移过程容易进行，因而热加工时容易发生动态回复，甚至回复过程可以完全和应变硬化平衡。而具有低或中等层错能的金属，它的回复过程比较慢，热加工过程中，动态回复未能同步抵消加工过程中位错的增殖积累，在某一临界变形条件下，会发生动态再结晶。因此，研究层错能的大小对材料的热变形，尤其是硅化物的高温塑性变形的变形机制有重要的意义。4

本词条内容贡献者为:

王伟 - 副教授 - 上海交通大学