晶体缺陷研究的历史回顾

晶体缺陷研究的历史回顾

中科院物理所的钱临照于2022年11月3日发表在《物理》上的文章中，回顾了晶体缺陷研究的历史。

晶体缺陷的研究始于对晶体内部缺陷的重视。早期的研究表明，晶体内部几乎不可能没有缺陷，这些缺陷对晶体的物理性能有重要影响。半导体的掺杂就是一个例子，晶体的缺陷与其力学强度密切相关。

1912年，Von Laue首次设想晶体中的点阵像光栅一样对X射线进行衍射，这一理论启发了人们利用X射线研究晶体结构。接下来，C. G. Darwin观察到完整晶体的衍射强度异常，怀疑晶体中存在不完整性。Darwin提出真实晶体是由多个小晶块拼凑而成的，每个小晶块的衍射强度遵循F定律，但由于取向不同，整体衍射强度与F²成比例。

在嵌镶结构的研究中，W. H. Bragg等人进行了大量实验，发现同一种晶体的累积反射是一致的，证明了晶体中存在嵌镶结构。Darwin在1914年得出结论，晶体中的晶块必须足够小，才能产生反射强度大于大晶块的结果。

随着研究的深入，许多学者开始关注晶体的非完整性及其对物理性能的影响。20世纪20年代，Darwin和Bragg的研究引起了广泛关注，特别是在非完整性晶体的结构和属性方面的争论。

美国的F. Zwicky和A. Goetz提出非完整性是晶体的属性之一，Zwicky试图证明晶体中存在一种次级结构。Goetz则提出了一种称为“群”的结构，认为晶体在熔点以上仍然保持其晶体结构。

在20世纪30年代，晶体缺陷的研究逐渐成熟，E. Orowan、M. Polanyi和G. I. Taylor提出了著名的位错模型，奠定了现代位错理论的基础。位错模型认为缺陷是原子的失配范围，且这种失配范围在应力作用下会逐个传递，导致晶体的滑移。

20世纪50年代，位错理论得到了广泛的认可，尤其是在剑桥学派的推动下，研究者们开始利用电子显微镜观察位错的结构，进一步验证了位错的存在。

总之，晶体缺陷的研究经历了漫长而曲折的发展过程，从早期的理论探索到后来的实验验证，逐步形成了现代材料科学的重要基础。研究者们在这一领域的努力，不仅推动了物理学的发展，也为材料科学的进步奠定了基础。