缺陷與缺陷化學

本徵缺陷(intrinsic defect)

本徵缺陷是晶體純粹靠熱、完全不牽涉外來原子、自己製造出來的缺陷。即使是化學上完美、100% 純的晶體,只要溫度在絕對零度以上,也都布滿了它們,因為熱能不斷把離子敲離原位,而熵又獎勵一點點無序。它們是「與生俱來」的缺陷,相對於由雜質或摻雜帶進來的外質(extrinsic)缺陷。

在離子陶瓷中,本徵缺陷必須以電中性的套裝出現,主要有兩種配方:蕭特基套組(配套的陽離子與陰離子空位)與弗侖克爾對(一顆離子搬到間隙、留下其空位)。此外還有本徵「電子」對——熱激發一顆電子越過能隙,留下一個自由電子與一個電洞,nil ⇌ e' + h•。三者都由波茲曼因子支配:濃度隨溫度指數上升,離子對約為 exp(-E/2kT)、電子對約為 exp(-Eg/2kT),E 是形成能、Eg 是能隙。溫度越高、形成能越低,本徵缺陷都越多。

本徵濃度設下一條材料在給定溫度下無法再低於的基線。不過實務上,真實陶瓷在低到中溫通常由「外質」主導:哪怕只有幾百 ppm 的異價雜質,都可能製造出比純靠熱更多的空位,所以本徵區只有在高溫、指數型熱項終於勝過固定的雜質貢獻時才接手。要分辨這兩個區間,正是布勞爾圖(Brouwer diagram)的用途。

在純 MgO 中,本徵蕭特基形成能很高(每對約 6 eV),所以即使在 1400 度 C,本徵空位比例仍極小——這也是為什麼一絲三價鐵或鋁雜質,就能輕易主導普通氧化鎂真實的空位數量。

本徵意指無雜質、由熱生成;它是衡量摻雜效果的基線。

純不等於無缺陷。提純去掉的是外質缺陷,但本徵的、由熱生成的缺陷仍在,而且加熱時反而增多。

又称
thermal defectnative defect固有缺陷熱缺陷