晶体点缺陷基础

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刘培生 著
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出版社: 科学出版社
ISBN:9787030274908
版次:1
商品编码:10003319
包装:平装
开本:16开
出版时间:2010-05-01
用纸:胶版纸
页数:427
正文语种:中文

具体描述

编辑推荐

  本书较为全面而系统地介绍了有关晶体点缺陷的基本概念、基本知识、基本研究方法、基本理论应用及其相关的一些研究结果。本书既属于学科基础性质的读物,同时又能指导相关的实践。通过对本书的阅读,使读者对晶体缺陷有一个比较全面和系统的认识,特别是对晶体点缺陷的了解。可以借助于晶体点缺陷的知识,去研究晶体的相关性质,解决相关方面的问题,从而在晶体材料的实际应用以及晶体材料的性能改进等方面开展一些工作(这是最具有实质意义的工作,因为物质的应用才是研究的最终目标,而性能研究则为其应用奠定基础)。所以,本书的读者对象可以是广大涉及固体科学的科研工作者和工程技术人员,也可以作为高等院校材料类和相关专业,如物理、化学、机械、冶金、建筑等高年级本科生和研究生的专业课教材。

内容简介

  晶体缺陷知识是固体科学的基本组成部分,是材料科学和凝聚态物理等学科的基础内容之一,对物质的制备、性能和应用等研究均有基础性的作用。《晶体点缺陷基础》较为全面而系统地介绍了有关晶体点缺陷的基本知识、基本研究方法、基本理论应用及其相关的研究成果。全书共分10章:第1章对晶体学的基础知识进行了简要的概述;第2章较为系统地介绍了不同晶体物质的各种结构类型;第3章简述了晶体中的各类缺陷,重点是晶体中存在的不同点缺陷;第4章是晶体点缺陷在物理方面的描写,主要是点缺陷热力学和缺陷平衡浓度的表征;第5章是晶体点缺陷在化学方面的描写,主要是缺陷反应和平衡反应的处理;第6章和第?章分别叙述了固溶体中的点缺陷以及氧化物中的点缺陷;第8章和第9章则分别叙述了晶体发生扩散时点缺陷的作用以及金属氧化过程中的点缺陷行为;第10章集中介绍了关于晶体点缺陷的各种实验研究方法。
  《晶体点缺陷基础》可以作为广大涉及固体科学的科研人员和工程技术人员的参考书,同时也可以作为高等院校材料及相关专业,如物理、化学、机械、冶金、建筑等高年级本科生和研究生选用的专业课教材。

内页插图

目录

前言
第1章 晶体学基础
1.1 引言
1.2 物态变化
1.3 晶体的宏观特征
1.4 非晶态与晶态之间的转化
1.5 晶体的空间点阵
1.5.1 晶体的特征和空间点阵
1.5.2 晶胞、晶系和点阵类型
1.5.3 布拉维点阵与复式点阵
1.5.4 晶胞(单胞)和原胞
1.6 晶面指数和晶向指数
1.6.1 三指数表示法
1.6.2 四指数表示法
1.7 晶面间距
1.8 晶带
1.9 准晶、非晶和液晶
1.9.1 准晶
1.9.2 非晶
1.9.3 液晶

第2章 晶体的结构
2.1 引言
2.2 布拉维格子
2.3 常见晶体结构及其几何特征
2.3.1 常见的晶体结构
2.3.2 几何特征
2.4 晶体结构中的间隙
2.5 晶体原子的堆垛方式
2.6 主要晶体结构类型
2.6.1 元素的晶体结构
2.6.2 纯金属的晶体结构
2.6.3 离子晶体结构
2.6.4 共价晶体结构
2.6.5 合金的晶体结构
2.6.6 几种重要的多元晶体结构
2.6.7 硅酸盐结构
2.7 晶体中的电子结构
2.7.1 晶体的结合键
2.7.2 固体中的电子状态
2.7.3 晶体中的电子能态
2.7.4 离子键与晶格能
2.7.5 轨道相互作用简介
2.7.6 固体中的能带
2.7.7 离子键近似
2.7.8 哈伯德(Hubbard)模型
2.8 晶体结构符号

第3章 晶体中的点缺陷
3.1 引言
3.2 晶体缺陷的类型
3.2.1 按几何形态分类
3.2.2 按缺陷来源分类
3.2.3 按热力学分类
3.3 点缺陷
3.3.1 亚晶格(亚点阵)的概念
3.3.2 点缺陷的名称
3.3.3 点缺陷的类型
3.3.4 本征缺陷和非本征缺陷
3.3.5 金属中的点缺陷
3.3.6 离子晶体和氧化物中的点缺陷
3.3.7 点缺陷对晶体性能的影响
3.3.8 离子晶体中的点缺陷与颜色
3.4 点缺陷的符号表示
3.4.1 符号表示的方法
3.4.2 特殊缺陷的说明
3.4.3 本征缺陷的再描述
3.5 线缺陷
3.5.1 刃位错(刃型位错)
3.5.2 螺位错(螺型位错)
3.5.3 位错的描述
3.6 面缺陷
3.6.1 表面
3.6.2 晶界
3.6.3 相界
3.6.4 堆垛层错

第4章 晶体点缺陷物理
4.1 引言
4.2 热平衡点缺陷的几何组态
4.2.1 热缺陷的基本类型
4.2.2 点缺陷的几何组态
4.3 热平衡点缺陷的统计理论
4.3.1 热力学依据
4.3.2 热力学假定
4.3.3 按统计理论处理热平衡缺陷
4.3.4 体积和振动频率改变的影响
4.3.5 点缺陷的平衡浓度
4.3.6 金属中热平衡点缺陷的浓度
4.4 点缺陷的形成能和形成熵
4.4.1 点缺陷的形成能
4.4.2 点缺陷的形成熵
4.5 点缺陷的运动和结合
4.5.1 点缺陷的迁移
4.5.2 点缺陷的结合
4.5.3 点缺陷的消失
4.6 点缺陷的迁移能和迁移熵
4.6.1 点缺陷的迁移能
4.6.2 点缺陷的迁移熵
4.7 金属中的淬火空位
4.7.1 加热时的空位浓度
4.7.2 淬火后的空位浓度
4.7.3 退火恢复
4.8 金属辐照产生的点缺陷
4.8.1 辐照效应
4.8.2 粒子碰撞
4.8.3 原子碰撞的级联过程
4.8.4 性能影响和辐照损伤
4.8.5 辐照后缺陷的回复
4.9 点缺陷对晶体性能的影响
4.9.1 对晶体密度的影响
4.9.2 对晶体电性能的影响
4.9.3 对晶体光性能的影响
4.9.4 对晶体比热容的影响

第5章 点缺陷化学
5.1 引言
5.2 点缺陷的基本知识
5.2.1 点缺陷的基本类型
5.2.2 点缺陷热力学
5.3 缺陷反应的表示
5.3.1 点缺陷反应式的规则
5.3.2 点缺陷反应式的合理选择
5.4 点缺陷平衡
5.4.1 本征缺陷
5.4.2 非本征缺陷
5.4.3 异价缺陷
5.4.4 非本征缺陷浓度与杂质浓度的关系
5.5 非整比化合物
5.5.1 非整比化合物的构成方式
5.5.2 非整比化合物的基本类型
5.5.3 非整比相的组成范围
5.5.4 非整比结构的能态
5.5.5 非整比缺陷平衡及其近似处理
5.5.6 与非整比缺陷相关的两个概念
5.5.7 非整比化合物的研究方法
5.6 基本缺陷反应
5.6.1 整比化合物的基本缺陷反应式
5.6.2 非整比化合物的基本缺陷反应式
5.7 点缺陷的缔合和缺陷簇
5.7.1 缔合缺陷的形成
5.7.2 缔合缺陷的性质
5.8 色心
5.8.1 色心的概念
5.8.2 色心的形成
5.8.3 色心的性质
……

第6章 固溶体中的点缺陷
第7章 氧化物中的点缺陷
第8章 点缺陷与晶体扩散
第9章 点缺陷与金属氧化
第10章 点缺陷实验研究
参考文献
附录1国际单位制(SI)
附录2单位换算系数
附录3基本常数表
附录4元素的相对原子质量
附录5有效离子半径
附录6某些物质的标准摩尔生成热力学量及热容(25℃)
附录7元素周期表

精彩书摘

  1.4非晶态与晶态之间的转化
  给定组分的非晶体比相应的晶体有更高的能量,即晶态取吉布斯自由能小的状态,而非晶态的吉布斯自由能总是高于晶态。非晶态是一种亚稳状态,所以非晶态固体总有向晶态转化的趋势,即非晶态固体在一定温度下会自发地结晶,转化到稳定性更高的晶体状态。但当温度不够高时,非晶态中的原子(离子)的运动幅度较小,加之晶化所需晶核的形成和生长都较困难,因此非晶态向晶态的转化就不易发生。
  吉布斯自由能较高的非晶态转化到吉布斯自由能较低的晶态,需克服一定的势垒。转变过程也可能分几步进行,中间经过某些过渡的亚稳态,而不是直接转变成稳定性高的晶态。从非晶态向晶态的转变带有突变的特征,一般伴随有幅度不大的体积变化,同时会释放出相变的热能(相变热)。
  相对于处在能量最低的热力学平衡态的结晶相而言,非晶态材料是处于亚稳态的,但从动力学上往往难以达到晶状基态。实际上,非晶态一旦形成就能够保持很长时间。例如,碳原子结合的最低能量形态是石墨,通常温度和压力下石墨是稳定的热力学相,而金刚石则是亚稳相。尽管如此,实际上金刚石能够长期存在而不会转化为石墨。
  晶态向非晶态的转化,是基于外界作用而产生的。例如,材料表面的研磨和破碎过程中的机械能可以导致晶体材料的非晶化,冲击波对于晶体材料的非晶化作用则更强。自然界中强烈的机械冲击作用也可引起晶体非晶化的现象。在小块陨石坠落造成的陨石坑里,在阿波罗飞船和登月自动车带回的月球岩石样品中,均发现有非晶化的痕迹。这些都是机械能的作用使晶体晶格中形成大量缺陷,当缺陷数量超过一定限度时晶体的长程有序性就会消失。

前言/序言

  物质的性能是由其内部结构所决定的,材料的所有物理和化学性质都取决于其精确结构与显微组织,所以,材料的性质必然与其缺陷结构及缺陷浓度相关。在高于0K时,任何物质内部的原子都存在着热运动,这种热运动会导致原子对其平衡位置的偏离。此外,由于制备条件和环境因素等方面的影响,材料中总会含有一定量的杂质,尽管有时是很微量的,但总会受到力的作用。可见,实际的晶体材料结构中都会存在各种偏离理想晶体点阵的现象,这就是晶体中的缺陷,包括从原子、电子水平的微观缺陷(点缺陷)到显微缺陷(线缺陷、面缺陷、体缺陷)。晶体材料的许多性质,如光学性质、电学性质、磁学性质、力学性质等,都与固体的缺陷结构密切相关。各种功能材料,如半导体材料、光导材料、发光材料、热电材料、热敏材料等的物理性能都与固体中的点缺陷密切相关。可以说,控制了材料的缺陷就可以控制材料的性质,控制了固体中的点缺陷就可以控制功能材料的使用性能。因此,研究晶体中的点缺陷,掌握晶体点缺陷的基本知识,对于改进晶体材料的性质、提高晶体材料的性能、拓宽晶体材料的应用和开发新型的功能材料,都具有深远的意义。
  如上所述,实际晶体中存在缺陷是不可避免的现象,其中,位错、晶界、表面等缺陷已被人们广泛、深入而系统地研究,不但有大量的著作对其进行了详细的论述,同时在很多的相关教材,如固体物理、金属物理、材料科学基础、固体理论、晶体缺陷等中也有相当全面的介绍。而晶体中的原子空位、间隙原子和置换原子等所谓点缺陷是晶体缺陷中最为简单和最为基本的类型,但该类对物质研究同样具有重要作用的缺陷似乎还没有得到同等程度的关注,其有关内容显得比较零散和缺乏足够的总体性和系统性。有些专著虽然涉及这些内容,但大都是用少量或部分的篇幅提及,其中或者分量很少,或者只是讨论一些专门的问题。相关教材的情况也同样如此。
好的,为您呈现一本假设的图书简介,书名为《现代材料设计与性能调控》,内容涵盖了材料科学的前沿进展、设计原理以及性能优化方法,与《晶体点缺陷基础》的主题形成明确区分。 --- 现代材料设计与性能调控 导言:迈向功能化与智能化材料时代 在21世纪的科技浪潮中,材料科学已不再仅仅是基础物质的简单研究,而是驱动新能源、信息技术、生物医疗等领域突破性进展的核心动力。《现代材料设计与性能调控》旨在为材料研究人员、工程师以及高年级本科生和研究生提供一个全面、深入且前沿的视角,探讨如何从原子尺度出发,系统性地设计具有特定宏观性能的新型材料。 本书聚焦于现代材料设计理念的转变——从依赖经验试错到基于理论预测和精确控制的理性设计。我们深入探讨了如何通过调控材料的微观结构、化学组成以及界面特性,实现对材料力学、电学、磁学、光学和热学等性能的精准控制。 第一部分:设计基石与计算工具 本部分奠定了现代材料设计所需的理论基础和计算工具箱。我们不关注晶体内部的特定点缺陷,而是着重于宏观结构与组成对整体性能的影响机制。 第一章:材料设计的新范式 从相图到性能图: 介绍传统热力学平衡相图在现代材料设计中的局限性,重点阐述如何构建基于性能参数的多维设计空间。 多尺度建模的必要性: 阐述从量子力学到有限元分析的层级关联,强调跨尺度模拟在预测复杂材料行为中的关键作用。 逆向工程的设计策略: 探讨如何根据所需功能(如特定的电导率或抗疲劳极限)反推所需材料的微观结构要求。 第二章:计算材料学的核心方法 密度泛函理论(DFT)的应用拓展: 重点讲解如何利用DFT计算材料的电子结构、能带结构和反应势垒,以及如何处理具有周期性边界条件的复杂体系(如合金或多孔结构)。 分子动力学(MD)模拟: 深入剖析如何利用经验势函数或从头算方法模拟材料在高温、高压或动态载荷下的原子运动,特别是对相变、扩散路径的宏观描述。 机器学习在材料发现中的潜力: 介绍如何利用高通量计算数据训练机器学习模型,加速新型功能材料的筛选和优化,例如预测新的催化剂活性位点或高熵合金的稳定性。 第二部分:功能材料的结构-性能调控 本部分是本书的核心,详细阐述了针对特定应用领域的功能材料的微观结构调控策略。 第三章:先进结构材料的韧化与强化机制 纳米孪晶与层状结构设计: 探讨如何引入高密度、纳米尺度的晶界或孪晶界来有效阻碍位错运动,实现超高强度和适度塑性的平衡。 复合材料的界面设计: 深入研究增强相(如碳纳米管、石墨烯、陶瓷纤维)与基体材料之间的界面粘结强度、应力传递效率,以及如何通过表面改性技术优化界面能。 梯度材料的制造与性能梯度: 介绍通过增材制造或热处理技术实现材料性能(如硬度、弹性模量)沿空间连续变化的梯度结构,以提高抗冲击性和疲劳寿命。 第四章:电荷传输与电子学调控 掺杂工程与能级调控: 在半导体领域,重点讨论通过精确控制元素替代、空位簇集成(而非单一的晶格点缺陷)来系统性地移动费米能级,优化载流子浓度。 二维材料的异质结构建: 详细分析范德华异质结的形成机制,如何利用不同材料的电子结构差异构建内建电场,用于高效的光电转换器件。 离子导电性与固态电解质: 探讨如何通过设计高熵氧化物或特定晶格畸变来优化离子迁移路径,以提高固态电池中锂离子或氧离子的传输速率,关注晶格的集体运动而非局部缺陷。 第五章:磁性与光学材料的构筑 磁各向异性的设计: 介绍通过晶体生长取向控制、应力耦合效应以及合金元素排布来调控磁性材料的磁化强度和矫顽力。 表面等离激元与光子晶体: 侧重于通过周期性纳米结构阵列(例如金属纳米颗粒的排列或光子晶体腔的设计)来控制光的吸收、散射和局域场增强效应,用于传感和超材料。 发光效率的优化: 讨论在量子点和有机发光材料中,如何通过钝化表面态(非晶态或分子间相互作用)以及抑制激子猝灭通路来提高量子产率。 第三部分:制造工艺与性能的反馈 本部分连接了材料的设计理论与实际的制备过程,强调工艺参数对最终材料性能的决定性影响。 第六章:增材制造(3D打印)中的微观组织控制 激光熔化过程中的快速凝固: 探讨高冷却速率下材料的非平衡凝固行为,如何形成纳米晶或非晶相,以及由此带来的特殊力学性能。 残余应力与形变: 分析增材制造过程中热循环导致的复杂应力分布,以及如何通过后处理(如热等静压)来消除有害的宏观应力场。 多孔结构与拓扑优化: 介绍如何设计具有仿生或机械优化结构的金属泡沫或多孔陶瓷,实现轻量化和能量吸收目标。 第七章:高性能材料的表面工程与界面修饰 薄膜沉积技术: 深入比较原子层沉积(ALD)和化学气相沉积(CVD)在厚度、均匀性和界面清洁度方面的优势,特别是在集成电路和催化剂涂层中的应用。 高通量原位表征: 介绍同步辐射、球差校正电镜等尖端技术,用于实时监测材料在真实工作条件(如电化学循环、加热)下的结构演变。 结语:面向未来的材料系统集成 《现代材料设计与性能调控》最终将视角投向材料系统的集成化。未来的材料研究将更加关注材料与环境、系统之间的动态响应能力。本书为读者提供了一套完整的工具和思维框架,使他们能够超越对单一材料特性的关注,转而设计出能够适应复杂环境、自我修复或响应外部信号的智能材料系统。本书内容覆盖了从原子级别的结构调控到宏观器件性能优化的全流程,是深入理解现代材料科学复杂性的权威参考。

用户评价

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评价一 这本书简直让我眼前一亮,完全颠覆了我过去对固体物理某些章节的理解。它并非只是简单地罗列理论公式,而是以一种非常引人入胜的方式,将抽象的概念具象化。作者巧妙地运用了大量的类比和生动的图示,使得像“空位”、“间隙原子”、“置换原子”这样听起来枯燥乏味的词汇,在我脑海中立刻鲜活起来。我特别喜欢其中关于“菲歇尔-托里曲线”的讲解,原本觉得是很难啃的数学模型,作者却通过层层剥茧的推导,并结合实际的实验现象,让我豁然开朗。那种感觉就像是突然打通了任督二脉,之前那些模模糊糊的认识瞬间清晰。书中对不同晶体结构中点缺陷的形成能和迁移能的讨论,也给出了非常直观的解释,不再是冰冷的数字,而是背后物理过程的生动体现。我还能感受到作者在文字间流露出的对这门学科的热情,这让阅读过程本身就充满乐趣,而不是一种负担。

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评价三 我抱着试试看的心态翻开了《晶体点缺陷基础》,结果惊喜得简直不敢相信。作为一个非物理专业背景的研究生,我一直觉得点缺陷这类概念离我太遥远,充满了复杂的数学公式和晦涩的术语。但这本书完全打破了我的刻板印象。作者用非常易懂的语言,配合大量的图表和实例,将这些看似高深莫测的物理现象解释得清清楚楚。我最欣赏的一点是,它并不是简单地搬运课本上的知识,而是通过对实际问题的剖析,来引出相关的理论。比如,在讨论晶体生长过程中缺陷的产生时,作者联系了实际的生长条件,让这些理论不再是空中楼阁。读这本书,我感觉自己就像是在和一位经验丰富的老师在交流,他会耐心地解答你心中的疑惑,并引导你一步步去理解。这本书真正做到了“化繁为简”,让我想了解点缺陷,不再感到畏惧,而是充满好奇。

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评价四 这本书的出现,填补了我过去在固态物理学习过程中长期存在的知识空白。在很多教材中,点缺陷往往被一带而过,缺乏系统的阐述,而《晶体点缺陷基础》则对这一领域进行了极为详尽的梳理。书中对点缺陷的热力学平衡、动力学过程的描述,层次分明,逻辑清晰。我特别喜欢书中对于点缺陷在扩散、退火等过程中的作用的分析,这直接关系到材料在实际应用中的性能表现。作者在阐述理论的同时,并未忽略对实验验证的提及,这使得理论研究与实际观察之间建立起了紧密的联系。读这本书,我能感受到作者在学科前沿的深厚积累,并且能够将这些前沿信息以一种有条理、易于理解的方式呈现给读者。它不是一本“速读”的书,需要仔细品味,但每一次的阅读都会有新的收获,仿佛在不断地拓展我对材料微观结构的认知边界。

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评价五 老实说,我当初买这本书,主要是出于好奇,想看看“晶体点缺陷”究竟能写出多厚的书。结果,我被它深深地吸引住了。这本书的魅力在于,它不仅仅是理论的堆砌,更像是一次关于物质微观世界“探险”的记录。作者用生动的笔触,描绘了晶体内部那些微小的“瑕疵”,以及这些瑕疵是如何影响着整个材料的命运。我尤其喜欢书中关于“本征缺陷”和“非本征缺陷”的分类,以及它们各自的形成机制。这种结构化的讲解,让我对点缺陷的认识更加系统和完整。更让我惊喜的是,书中还涉及了点缺陷在一些新兴领域的应用,例如在量子信息和新能源材料中的作用,这让我意识到,即使是基础的物理概念,也能孕育出如此令人兴奋的应用。读完这本书,我对晶体点缺陷不再仅仅是物理学名词,而是一种能够改变物质特性的“神奇力量”。

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评价二 对于我这样一个在材料科学领域摸爬滚打多年的研究者来说,阅读《晶体点缺陷基础》的过程,更像是一次深入骨髓的“复盘”和“重塑”。这本书的学术严谨性毋庸置疑,但在严谨之余,却展现出了非同寻常的洞察力。作者不仅仅停留在描述点缺陷的“是什么”,更深入地探讨了“为什么”以及“如何影响”。例如,关于点缺陷对材料电学和光学性质的影响,书中给出的案例分析和理论推导,都极具启发性。我尤其对其中关于“缺陷工程”的讨论印象深刻,这部分内容触及了如何通过精确控制点缺陷来调控材料性能的前沿课题,让我看到了点缺陷研究的广阔应用前景。书中的参考文献也十分详实,指向了许多经典和最新的研究成果,这对于希望进一步深入研究的读者来说,无疑是一笔宝贵的财富。这本书并非一本“速成”指南,它需要读者投入时间和思考,但所回报的,将是对点缺陷这一基础概念更为深刻、系统和前瞻性的理解。

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内容丰富

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很不错的书

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竟然是破的

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东东不错啊,还是正版的呢

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看了前面评论才决定买的,拿回来一看才知道到底是怎么一回事。很多概念都是泛泛的谈一谈,根本没有深入。还定价那么贵,科学出版社的书比高教出版社的都贵,而且发现质量也越来越烂了,买了几十本了,价格都虚高。

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内容丰富

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科普吗”对实际研究不起作用

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东东不错啊,还是正版的呢

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