
【化】 effective charge of defect
在固体物理学中,"缺陷的有效电荷"(Effective Charge of Defects)指晶体结构中因原子缺失、错位或杂质引入的局部电荷扰动对材料宏观电学性质产生的等效作用量。该概念最早由Kröger和Vink在1956年提出,用于描述离子晶体中点缺陷的电荷特性。
从微观机制分析,有效电荷包含两个分量:
$$ Z^* = Z + frac{Omega}{e} frac{partial P}{partial epsilon} $$ 其中$Z$为核电荷,$Omega$为原胞体积,$P$为极化矢量
在半导体器件领域,有效电荷值直接影响载流子迁移率和PN结势垒高度。以硅中氧空位缺陷为例,其有效电荷$Z^*=+1.2$已被美国国家标准技术研究院(NIST)实验验证。该参数对太阳电池缺陷工程和功率器件可靠性评估具有关键指导价值。
缺陷的有效电荷是材料科学中用于描述晶体缺陷所表现出的形式电荷的概念,其核心在于缺陷对晶格电荷平衡的影响。以下为详细解释:
缺陷的有效电荷指缺陷位置相对于完整晶格表现出的形式电荷,反映离子价态或位置变化导致的电荷差异。例如:
采用Kroger-Vink符号系统标记:
·
表示正有效电荷(如Vₘ·为阳离子空位);'
表示负有效电荷(如Vₓ'为阴离子空位);×
表示中性。有效电荷是形式电荷,而非实际电荷。例如Al₂O₃中Mg²⁺替代Al³⁺时,Mg的实际电荷为+2,但因其比Al³⁺少+1,故有效电荷为-1。
有效电荷=缺陷离子电价 - 原离子电价:
通过分析有效电荷,可预测材料中缺陷的相互作用(如空位与间隙离子的缔合)及电学性质(如离子导电性)。
缺陷的有效电荷是晶体缺陷对局部电荷平衡影响的量化指标,通过符号系统和计算规则,为材料缺陷化学研究提供统一标准。
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