缺陷与掺杂：定义、影响、表征与应用

说明：本文华算科技通过介绍缺陷与掺杂的定义、影响、表征与构建方法以及应用领域，系统性的介绍了什么是缺陷、什么是掺杂，明确介绍了两者的差异。通过本文将好地理解材料修饰方法中缺陷与掺杂的应用。

一、什么是缺陷？

缺陷是理想晶体结构在实际条件下的偏离或不完整性，是材料中原子排列违背长程有序性的区域。理想晶体仅存在于理论模型中，实际材料因制备工艺、热力学波动、外界环境作用等，必然存在不同类型的缺陷。

根据空间维度和形态，缺陷主要分为4类，包括点缺陷（空位）、线缺陷（线状畸变）、面缺陷（晶界）以及体缺陷（孔洞）。

DOI: 10.1002/adma.202208564

缺陷对材料性能的影响具有显著的双重特征，其作用效果取决于缺陷类型、密度、分布及材料应用场景：

负面效应：首先，空位与孔洞会降低材料致密度，进而造成力学强度下滑，而裂纹会成为应力集中的关键点，容易诱发材料断裂失效。

晶界与位错则会对载流子（电子、空穴）和光子产生散射作用，从而破坏半导体的导电性与光学透明性。

此外，缺陷处的原子因配位不饱和，往往会成为电化学腐蚀的活性位点，最终加速材料老化。

DOI: 10.1016/j.ceramint.2025.02.114

正面效应：表面缺陷可作为催化反应的活性中心，既能吸附反应物，也能有效降低反应能垒。而在半导体中，缺陷态能级能捕获或释放载流子，以此调控载流子的寿命与迁移率。

对于金属材料而言，位错滑移可通过加工硬化的方式，提升材料的拉伸强度与硬度。至于储能材料，其中的缺陷能构建离子传输通道，促进Li⁺、Na⁺等离子扩散，进而提升材料的倍率性能。

DOI: 10.34133/2019/2198906

1. 透射电子显微镜（TEM）：对于缺陷表征，TEM显然是能最直观的得到实空间中缺陷结构的表征方法。TEM表征测试使用高能电子束穿透样品，通过原子对电子的散射形成影像，其分辨率达原子级，能够直接观察原子的排列。

DOI: 10.1007/s11664-017-5836-7

2. 扫描电子显微镜（SEM）：另一个能够直接观测缺陷结构的表征测试方法就是SEM，SEM通过电子束轰击样品表面产生的二次电子，形成表面形貌图像。不过SEM的精度一般只在nm级别，所以常常用来观察大尺度缺陷。

DOI: 10.1016/j.matchar.2018.08.044

3. 原子力显微镜（AFM）：AFM的探测原理是使用探针扫描样品表面，通过针尖与表面原子间的相互作用力反映表面形貌。AFM适合用于表征材料表面的台阶、凹坑、凸起、粗糙度，其分辨率很高，也能达到原子级别，可表征表面三维形貌与局部力学性能。

DOI: 10.1002/smll.202504742

热加工法是通过温度与冷却/保温过程的调控，实现材料缺陷的精准调控，是金属、陶瓷材料中最常用的缺陷改性手段之一。

其中高温淬火的操作通常是将材料加热至相变温度以上，保温一段时间使原子充分扩散后，选用油冷、水冷或液氮冷等不同冷却介质快速降温。冷却速率越快，原子的扩散运动越易被“冻结”，材料内部会保留更多空位、间隙原子等点缺陷。

DOI: 10.1007/s11837-023-05741-6

辐照法是利用高能粒子的轰击效应引入缺陷，不同类型的高能束流会产生不同的缺陷形态。电子束辐照能量相对较低，主要通过碰撞电离使晶格原子脱离平衡位置，生成空位–间隙原子对，该缺陷多集中在材料表层。中子束辐照的穿透性极强，能深入体材料内部，轰击后会产生大量位错、晶界等面缺陷，不过这类缺陷易随时间“自愈”，通常需配合后续退火固定。

DOI: 10.21203/rs.3.rs-2963591/v1

化学法是通过化学反应的选择性作用调控缺陷，操作简便且成本较低。湿法刻蚀是其中最常用的手段，刻蚀物质会沿材料表面均匀腐蚀，形成凹坑、孔洞等随机缺陷，常用来增加催化剂的比表面积。

DOI: 10.1021/acsomega.8b01049

金属氧化物中的氧空位，因缺陷处原子配位不饱和、存在未配对电子，可提供电荷作用位点，既能吸附反应物分子，又能削弱其化学键以降低反应活化能，从而成为催化反应的活性中心。

DOI: 10.1021/jacs.4c14073

锂电池正极材料的表面缺陷，能构建更短的离子传输路径，同时调整晶格局部的电场环境，减小锂离子迁移过程中的阻力，以此降低扩散能垒，提升材料的倍率性能与循环稳定性。

DOI: 10.1016/j.apenergy.2024.122968

量子点的表面缺陷会形成局域电子态，这些态能调整电子–空穴对的复合路径与能量水平，进而调控发光波长与量子产率。

钙钛矿太阳能电池中的缺陷钝化，是通过消除空位等缺陷对应的深能级陷阱，减少载流子的非辐射复合损失，从而提升光电转换效率与器件稳定性。

DOI: 10.1016/j.apsusc.2023.156931

二、什么是掺杂？

掺杂是人为向基体材料中引入少量特定异质原子，通过掺杂剂取代晶格原子或占据晶格间隙，改变材料电子结构、晶格环境与物理化学性能的精准调控方法。

DOI: 10.1016/j.materresbull.2021.111374

电学性能：在电学性能的调控中，掺杂剂能发挥多方面的核心作用。它可以提供或捕获载流子，以此显著提高载流子的浓度，进而让材料的电导率实现较大幅度的提升。同时，掺杂剂还能调控载流子的类型，帮助材料完成n型与p型之间的电性转换。

DOI: 10.1016/j.matchemphys.2023.128079

催化性能：掺杂原子能通过电子转移调整活性中心的电子态，进而增强对反应中间体的吸附能力。同时，它还能帮助催化剂形成异质结构，构建特定的活性位点，以此有效降低反应的能垒。除此之外，掺杂原子也能优化催化剂的导电性与结构稳定性，让催化过程既高效又更持久。

DOI: 10.1016/j.apsusc.2022.154186

光学性能：在光学性能的调控中，掺杂能调整材料的禁带宽度，让材料适配不同波段的光响应需求。而稀土元素的掺杂，还能让材料实现特征发光，常被用于荧光器件的制备。除此之外，掺杂剂也可以作为发光中心或能量转移的媒介，进一步提升材料的光吸收与发光效率。

DOI: 10.1021/acsomega.8b03191

1. 能量色散X射线谱（EDS）：掺杂方法由于掺入了异质元素，所以可用元素表征去进行分辨。EDS表征通过电子束激发样品产生元素特征X射线，然后依靠特征X射线能量与强度定性定量分析。

DOI: 10.1016/j.micron.2020.102864

2. X射线光电子能谱（XPS）：XPS表征通过单色X射线激发样品产生光电子，其对应的电子结合能反映元素价态与化学环境。通过峰位置与峰型，可以判断掺杂原子价态与化学结合方式。

DOI: 10.1016/j.carbon.2020.02.065

3. X射线吸收谱（XAS）：同步辐射X射线被样品吸收，吸收边结构能够反映原子的配位环境与电子结构。通过吸收边位置以及扩展边结构，可以判断掺杂原子的配位方式、局部结构和原子价态。

DOI: 10.1021/acscatal.2c00092

将基体粉末与掺杂剂粉末按比例混合、研磨均匀，在高温下通过原子扩散形成固溶体。适用于块体陶瓷、金属材料，如Al掺杂ZnO陶瓷的制备。该方法的优点是工艺简单、成本低，不过其掺杂均匀性依赖混合与扩散效率。

DOI: 10.1007/s00339-024-07628-y

电化学沉积法的核心原理，是在同时包含基体离子与掺杂剂离子的电解液中进行电解操作。电解作用会推动基体物质与掺杂剂同步发生沉积，进而形成掺杂材料。

DOI: 10.1016/j.ceramint.2021.11.004

以金属醇盐等为前驱体，先由其形成溶胶体系，随后向该溶胶中加入掺杂剂，将混合物搅拌均匀后促使其发生凝胶化，再经干燥、焙烧处理，最终得到掺杂材料。溶胶体系本身的均一性，能让掺杂剂在凝胶形成过程中均匀嵌入基体的前驱体网络里，为后续掺杂材料的成分均匀性提供了条件。

DOI: 10.1002/er.6536

1. 催化领域：催化领域里，掺杂的作用原理在于，掺杂原子会改变催化剂活性中心的电子结构，优化反应中间体与活性中心之间的吸附、脱附特性，同时还能增强催化剂的结构稳定性，进而提升催化反应的活性与持续效率。

DOI: 10.1021/acs.jpcc.0c08080

2. 储能领域：储能领域中，掺杂的原理是通过掺杂原子的引入，一方面优化材料的电子导电性，降低离子迁移过程中的能垒，提升离子扩散速率。另一方面增加材料的活性位点、构建更通畅的离子传输通道，从而改善储能材料的倍率性能与储电容量

DOI: 10.1038/s41563-022-01390-3

3. 半导体领域：半导体领域中，掺杂的核心原理是通过引入特定类型的掺杂原子，向材料中提供或捕获载流子，以此调控载流子的浓度与类型，实现不同导电性能的精准调整，这是制备各类半导体器件的关键基础。

DOI: 10.3390/coatings11080945

总之，简单来说缺陷就是完整的晶体材料缺失了某一部分，而掺杂既是使用其他元素对原来的晶体材料的原子进行替代。它们从不同的角度影响着材料的性能，并为材料性能的提升做出贡献。

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