抗氧劑

[拼音]：jingti quexian

[外文]：crystal defects

指晶體內部偏離完整結構的場所，可依據其延展的範圍分為點缺陷、線缺陷（見位錯）和麵缺陷三大類。

晶體缺陷的研究起源於礦物學的研究。礦物學家從有的石英晶體中發現它的形態和光學、電學性質有局域性的變易，從而發現孿晶這種晶體缺陷。18世紀末冶金學家注意到從白熾狀態緩冷下來的熟鐵晶粒中有亞結構存在。19世紀礦物學家用化學試劑侵蝕晶體表面，以蝕斑的圖形來辨認晶面。但他們還沒有把晶面的蝕斑和晶體記憶體在的缺陷聯絡起來。19世紀下半葉冶金學家研究晶粒間界，猜測其厚度為原子尺度。20世紀初期物理學家研究金屬的範性，首先在鈉單晶上發現滑移帶（見滑移），W.H.布喇格猜測這些整齊的滑移帶是和晶體內部結構相聯絡的，這些可以作為晶體缺陷研究的史前淵源。

1912年M.von勞厄用 X 射線入射晶體而產生衍射斑，方始證實晶體內部原子是規則排列的。接著布喇格父子開創了晶體結構的研究工作。晶體物理的研究工作從此從巨集觀外形逐步深入到內部結構的領域。當時，人們認為晶體內部結構是非常有規則的。

1914年，C.G.達爾文從X 射線衍射動力學理論出發計算，得出完整晶體的X 射線衍射強度應遠小於實際觀察到的；理論計算的衍射線張角的弧度是秒的量級，而實際觀察有的可達分的量級。達爾文認為這些理論不能解釋實驗現象的緣由是實際晶體中原子的排列並不像理想晶體中那樣整齊，而在存在缺陷，他稱之為嵌鑲結構。從此人們開始意識到晶體中存在微觀缺陷。現在看來，所謂嵌鑲結構實質上就是已為人們熟知的晶體缺陷中的一類重要缺陷──位錯的某種排列組態。達爾文的工作啟開了晶體缺陷研究的大門。

20世紀40年代F.塞茨曾把晶體缺陷分為六類：聲子、電子與空穴、激子、點陣空位和間隙原子，最後一類缺陷是位錯。塞茨稱這六類是晶體中的基元缺陷。雖然如此，從物理學過程來看，現在明確知道聲子、電子和空穴、激子這三類是對應於固體中的元激發，相當於有序結構（包括能帶結構）的微擾，不具有明顯局域性和有序結構局域性的嚴重干擾。所對應的晶體缺陷雖有其相似之處，但本質上的差異也不容忽視。

晶體缺陷的研究中，往往首先考慮低密度的某一種缺陷，這並不只是為了簡單方便，而且與事實亦不相悖。在接近熔點的金屬中空位的數目只佔0.01％，在較低溫度時則更少。因此在觀察研究這些空位的特性時，可只把它們當作一個個分立的缺陷，正如研究低氣壓下的氣體時，可以把分子看作分立的粒子來處理一樣。因此單個位錯的性質和它的運動是最早搞清楚的，少量位錯之間，或位錯與其他缺陷，例如空位之間的相互作用，也大致弄清楚了。但固體中大量位錯之間的集體運動與相互作用等方面，還有待深入研究。金屬加工硬化的明確機理，還沒有完善理論。自從電子計算機技術發展之後，又有了用電子計算機來模似晶體缺陷的原子組態的方法。處理高密度的缺陷時，缺陷之間的相互作用就突出了。

例如強輻照後的固體中形成了高密度的空位，空位聚集起來可以形成雙空位、三空位、甚至成為稜柱位錯圈，層錯四面體，或空洞；又如多個位錯的某種形式的聚集形成嵌鑲晶界和位錯網路。這就說明晶體中各類缺陷並不是相互割裂、毫不相關的，而是可以通過相互作用而轉化，成為其他型別或更復雜的缺陷。但不能作為基元缺陷來看待。

表面也可以存在某種缺陷，在固體表面原子排列有局域性的異常，如表面空位、附加原子、臺階、彎結都是存在於固體表面的缺陷。極薄一層數個埃的厚度內點陣有所異常，表面原子之間的鍵也和晶體內部的有所不同。

固體受到輻照，這種輻照可以是電磁波，也可以是粒子、帶電荷的，如快速運動的正離子或負離子、β粒子、介子等，也可以是中性的，如不帶電荷的中子、中微子等。這些外來粒子有的可以留在被輻照體內，為了方便起見，它們可以看作晶體中的組成部分；有的只在晶體中造成瞬時性的缺陷，例如晶體中含有一些雜質時，適當的輻照後，雜質的電子激發，然後躍遷到基態而發出特種的光子，這種含有雜質的固體就成為固體發光材料。固體受到輻照也能造成晶體中的缺陷，離子晶體中的色心就是一個例子。

以上不完全的記述，已足以說明晶體缺陷的研究是材料科學中的重要一環。

點缺陷存在於晶體中是電阻率增大的原因，克肯達耳效應充分證明空位與原子的交相運動導致原子在晶體中的擴散（見固體中的擴散），這些過程的研究時間並不長就趨成熟。位錯是線缺陷，它的結構與相互作用是較為複雜的，它對固體效能的影響也是巨大的，研究的歷史也較長，因而研究位錯是研究晶體缺陷的主攻方向。

位錯研究是以晶體力學性質的研究開始的。20年代歐洲的科學家們，如A.A.格里菲思、Α.Ф.約飛、G.馬辛和L.普朗特從固體力學性質的觀察和實驗出發，Я.И.夫倫克耳、R.貝克爾和M.波拉尼從計算出發，企圖解釋為什麼實際晶體力學強度遠低於完整晶體的理論強度。直到30年代中期才有G.I.泰勒、E.奧羅萬、波拉尼和J.M.伯格斯等人把位錯模型正確地建立起來。有趣的是在探索位錯模型十餘年的過程中，像普朗特、泰勒和伯格斯三人都是著名的流體力學科學家。這或許是個巧合，但也可以設想在流體力學理論裡的渦旋絲和彈性力學理論力的位錯線這兩概念有相似之處，從而啟發他們從流體中學中的概念出發建立起固體中缺陷模型。孤立子理論原是在19世紀從一個偶然觀察而匯出的流體力學理論。1938年夫倫克耳和T.康塔羅瓦的位錯模型就是在賽恩－戈登(Sine－Gordon)方程的孤立子解的基礎上建立起來的。看來晶體缺陷理論不但以彈性力學為基礎，而且也與流體力學理論同一根源。

從20年代到60年代中期前後，經過約40年眾多科學家的努力，其中有英國的N.F.莫脫、F.C.夫蘭克、P.B.赫希、A.H.科特雷耳、J.D.伊謝爾比，德國的A.澤格，法國的G.夫裡德耳，比利時的S.阿梅林克斯，美國的W.肖克萊、W.T.裡德等人，才把晶體中主要缺陷──位錯的理論牢固地建立起來。目前位錯的形態和運動已能在電子顯微鏡中觀察到，晶體理論的計算強度和實測基本相符。隨之，晶體物理學許多問題的研究迅速開展起來，如位錯與點缺陷之間、位錯與溶質原子及第二相粒子之間的相互作用；晶體受到交變應力時，位錯與雜質原子互動作用發生的弛豫過程與內耗的關係；位錯在金屬斷裂中的重要作用;壓電及鐵電晶體中的位錯形態，金屬中的位錯與電阻的關係，以及位錯的磁效應等。這些工作對晶體特別是對金屬的力學性質的瞭解起了重要作用。內耗是研究晶體中缺陷結構與運動的得力方法之一，如位錯弛豫、位錯共振與位錯滯後等的研究，使對晶界、溶質原子、雜質原子在晶體內運動等有了更多的瞭解（見內耗與超聲衰減）。在電子器件中，製造大規模積體電路是目前的尖端技術，位錯是影響其效能的關鍵問題之一。現在不少人在研究存在於矽表面層的一種微小渦旋狀的缺陷，實驗證明，有一類渦旋即是微小的位錯圈；層錯和氧化過程有關是位錯的另一缺陷組態。現在已經有辦法將這些位錯缺陷驅逐到矽片的內部而使30～50微米厚度的表面純潔無疵，在製造電子器件過程中即使因熱處理、加工等在表面層中從外界又羼入了某種缺陷，也會為內部的缺陷吸聚，從而消除其不良影響，這是以缺陷治缺陷的一個例子。

晶體中位錯的研究發源於彈性力學理論，最初處理這問題是從連續媒質出發的。其後，連續媒質中位錯理論有很大的發展，在地質構造學、地震學、岩石學等領域得到應用。

晶體缺陷除位錯外還有所謂旋錯，實質上位錯與旋錯是相類似的晶體缺陷，同是從彈性體的切割面受到剛性相對位移或扭轉而造成的。位錯在金屬和離子晶體中都會存在，有的是在生長時由於偶然的擾動而形成的，更多的是由於外部因素引入的，如加工硬化可以使晶體中位錯密度大幅度增加。旋錯存在於液晶、生物脂質之類的體中，鐵磁材料中疇壁的變向亦可看作旋錯的表示。

一個基礎的物理理論需要實驗的證明，從而獲得承認，並進一步在實際應用中發揮作用，這往往需要較長的歲月。這樣的事例在科學史上屢見不鮮。晶體缺陷理論從1914年達爾文的覺察，到1956年B.赫希等人用電子顯微鏡證實了泰勒的位錯模型，前後歷經42年。即使如此，在那時不久之後，還有人認為位錯理論美則美矣，但沒有什麼實用價值。又過20多年到70年代，位錯理論不但本身發展得根深葉茂，還深入到旁支學科之中，如高分子、地質學、礦石學以及生物分子等方面，用途很多。

目前看來晶體缺陷這門學科的主攻方向仍是位錯理論實驗及其應用，較之以前有了更強大的生命力。但旋錯的研究還不多，沒有得到應有的注意。又如微晶粒(微米量級)及超微晶粒(10-1～10-3微米量級）做成的材料有特殊的電磁、熱學以及力學效能，微晶粒的內部與微晶粒之間的晶體缺陷值得研究；晶須是個30年前盛行的課題，它的結構多變，與生長條件有關，還沒有深入的研究；非晶態的工作正在蓬勃發展，非晶態材料中也存在有缺陷，但如何表徵還是問題，因為缺乏像判別晶體缺陷用的完整點陣那樣的一個公認的參考體系。

近年來缺陷拓撲理論的提出又將晶體缺陷理論作了重要的推廣。一些傳統的基本概念（如伯格斯迴路）與代數拓撲學的數學方法結合起來構成了探討任意有序媒質中奇異性和不均勻性具有普遍意義的理論，已經在一些複雜的有序媒質（如液晶、3He超流相、磁有序相等）中應用並已取得有意義的成果。凡此種種都表明晶體缺陷這一課題是有廣闊遠大前程的，這孕蘊了材料科學和凝聚態物理中最深刻的基本問題，它的應用範圍也是極為寬廣的。

參考書目

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