弗兰克尔缺陷

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引言

弗兰克尔缺陷是晶体晶格生成过程中的一种缺陷，其中一个离子或原子占据了通常未被占据的位置。它以俄罗斯物理学家雅科夫·弗兰克尔的名字命名。晶体中的空位是由单个原子自发移位产生的。这种缺陷有时被称为位错缺陷，因为它同时表现出空位和自间隙缺陷的特性。晶格中的小型阳离子从其原始位置移位，导致晶格中出现空位。

弗兰克尔缺陷的形成

弗兰克尔缺陷在晶格中的形成过程如下：

• 一个阳离子离开晶格并成为间隙原子。

• 在晶格中产生一个空位。

• 移位的阳离子在附近的其他阳离子和阴离子之间找到一个位置。

固体晶体中缺陷的出现

离子的精确排列是晶体的最重要的特性之一，它将晶体与非晶态物质区分开来。然而，没有材料是完全完美的，因此这种被称为晶格缺陷的缺陷是存在的。

缺陷的定义是瑕疵或不完美。固体晶体存在缺陷，这在固态化学中得到了研究。一些晶胞可能比其他完美的晶胞多一个或多个原子。这些晶体缺陷被称为晶体缺陷。因此，晶体缺陷是晶体物质中规则图案的破坏。晶体缺陷有几种类型，包括面缺陷、线缺陷和点缺陷等等。弗兰克尔缺陷是点缺陷。

弗兰克尔缺陷的定义

这种缺陷是晶体形成过程中的一个缺陷。许多固体晶体中的晶胞比理想晶胞的原子少。这被称为缺陷。晶体缺陷是晶体材料中规则图案的破坏。缺陷有多种类型，每种类型都表示晶体内在生长中的重大中断。

以下几种类型的缺陷：

• 杂质缺陷

• 化学计量缺陷

• 弗兰克尔缺陷

• 肖特基缺陷

弗兰克尔缺陷的例子

弗兰克尔缺陷的一些例子如下：

• ZnS（硫化锌）

• NaCl（氯化钠）

• AgCl（氯化银）

• AgBr（溴化银）

• AgI（碘化银）

弗兰克尔缺陷的原因

缺陷在固态结构中很常见，因为晶体中分子或原子的位置由晶胞的特性在重复的固定距离内决定。这些缺陷主要是由粒子辐照产生的。晶体结构通常是不完美的和可变的。在形成过程中的焓大于粒子辐照过程中的任何其他点，因此平衡达不到检测限。这些缺陷也可能在阳离子位移的材料中自然形成。

弗兰克尔缺陷数量的计算

计算晶体中弗兰克尔缺陷数量的主要参数：

• 缺陷的焓变

• 通常占据的位置

• 位置的温度

• 可用位置的数量

可以使用以下公式计算弗兰克尔缺陷：

$$\mathrm{\sqrt{NN^\prime} e^{-\Delta H/2RT}}$$

其中：

N 表示通常占据的位置

N_' 表示可用位置的数量

ΔH 表示单个弗兰克尔缺陷的形成焓

R 表示气体常数

T 表示温度

肖特基缺陷和弗兰克尔缺陷的区别

固体晶体中的缺陷过程在其生长和限制中被发现。肖特基缺陷描述了晶体固体中的缺陷，而弗兰克尔缺陷描述了晶体离子配合物的形成。

肖特基缺陷	弗兰克尔缺陷
它通常被称为价缺陷。	它有时被称为位错缺陷。
晶格密度降低。	它不影响晶格或原子密度。
晶格质量减少。	晶格的原子或质量不变。
离子以化学计量单位从晶格中逸出。	离子离开其晶格位置，但保留在间隙位置。
缺陷离子完全离开晶格。	缺陷离子离开其晶格位置。
离子大小相同。	离子大小不同且不规则。
它存在于 CsCl、KBr 和 KCl 配合物中。	它存在于 AgCl、ZnS 和 NaCl 配合物中。

结论

当离子或原子占据晶格中的空位时，就会产生弗兰克尔缺陷。当阳离子离开其位置时，就会产生空位，并且阳离子会移动到附近的位置。这种缺陷是由粒子辐照引起的。弗兰克尔缺陷不会改变化学性质。它不会赋予晶体密度或电中性。弗兰克尔缺陷的数量由占据和空位数量以及温度决定。弗兰克尔缺陷也称为位错缺陷，因为离子发生了位移。

常见问题

1. 为什么碱金属卤化物缺乏弗兰克尔缺陷？

原子中的这种缺陷需要低配位数，并且晶格对分子是开放的。因为阳离子和阴离子的大小几乎相同，并且阳离子不能容纳在间隙位置，所以碱金属卤化物中不存在这种缺陷。

2. 为什么 AgBr 会同时表现出肖特基缺陷和弗兰克尔缺陷？

由于 AgBr 具有中等半径比，因此它同时表现出弗兰克尔缺陷和肖特基缺陷。当阴离子和阳离子都从晶格中缺失时，AgBr 会表现出肖特基缺陷。Ag+ 离子非常活泼，并且倾向于在晶格内迁移。因此，它们也表现出弗兰克尔缺陷。

3. 弗兰克尔缺陷的特征是什么？

弗兰克尔缺陷具有以下特征：

• 它产生相对开放的晶格。

• 当阳离子尺寸小于阴离子尺寸时，会产生这种缺陷。

• 在这种缺陷中，固体的配位数较低。

• 它不影响物质的化学性质。

• 由于这种缺陷不影响结构的密度，因此固体的质量和体积保持不变。

• 在弗兰克尔缺陷实验中，物质保持其电中性。

4. 弗兰克尔缺陷对密度有什么影响？

弗兰克尔缺陷不会影响晶体的密度或稳定性。尽管该缺陷直接影响离子迁移，但固态结构的体积和密度不会改变。紧密堆积结构中的间隙原子会产生张力，导致晶格膨胀。这种膨胀超过了由于空位导致的晶格收缩。

5. 弗兰克尔缺陷的影响是什么？

这种缺陷会导致离子位移。这种缺陷也称为位错缺陷，因为较小的离子（阳离子）从其原始位置移动并放置在间隙位置。即使密度保持不变，配合物也具有低配位数以及大小范围广泛的阴离子和阳离子。