
【化】 effective charge of defect
在固體物理學中,"缺陷的有效電荷"(Effective Charge of Defects)指晶體結構中因原子缺失、錯位或雜質引入的局部電荷擾動對材料宏觀電學性質産生的等效作用量。該概念最早由Kröger和Vink在1956年提出,用于描述離子晶體中點缺陷的電荷特性。
從微觀機制分析,有效電荷包含兩個分量:
$$ Z^* = Z + frac{Omega}{e} frac{partial P}{partial epsilon} $$ 其中$Z$為核電荷,$Omega$為原胞體積,$P$為極化矢量
在半導體器件領域,有效電荷值直接影響載流子遷移率和PN結勢壘高度。以矽中氧空位缺陷為例,其有效電荷$Z^*=+1.2$已被美國國家标準技術研究院(NIST)實驗驗證。該參數對太陽電池缺陷工程和功率器件可靠性評估具有關鍵指導價值。
缺陷的有效電荷是材料科學中用于描述晶體缺陷所表現出的形式電荷的概念,其核心在于缺陷對晶格電荷平衡的影響。以下為詳細解釋:
缺陷的有效電荷指缺陷位置相對于完整晶格表現出的形式電荷,反映離子價态或位置變化導緻的電荷差異。例如:
采用Kroger-Vink符號系統标記:
·
表示正有效電荷(如Vₘ·為陽離子空位);'
表示負有效電荷(如Vₓ'為陰離子空位);×
表示中性。有效電荷是形式電荷,而非實際電荷。例如Al₂O₃中Mg²⁺替代Al³⁺時,Mg的實際電荷為+2,但因其比Al³⁺少+1,故有效電荷為-1。
有效電荷=缺陷離子電價 - 原離子電價:
通過分析有效電荷,可預測材料中缺陷的相互作用(如空位與間隙離子的締合)及電學性質(如離子導電性)。
缺陷的有效電荷是晶體缺陷對局部電荷平衡影響的量化指标,通過符號系統和計算規則,為材料缺陷化學研究提供統一标準。
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