晶体分子扩散
晶界扩散,表面扩散,晶格扩散
晶界扩散,表面扩散,晶格扩散一、概述晶体的扩散是指物质在固体中的原子或离子通过空位、晶界或表面跳跃运动而实现的进出过程。
它是固体材料中重要的物质迁移方式,直接影响着材料的物理性质和工程性能。
晶体扩散可分为晶格扩散、晶界扩散和表面扩散。
本文将对这三种扩散进行系统地分析和探讨。
二、晶格扩散1. 晶格扩散的概念晶格扩散是指晶体内部原子或离子在晶体点阵结构中进行跳跃运动,从而造成物质扩散的过程。
其过程涉及到晶体中原子在原子位点、晶格间隙和空位之间的迁移。
2. 晶格扩散的因素晶格扩散的速率受到晶体结构、温度和化学势的影响。
晶格扩散的速率与温度成正比,与化学势成正比,与晶体结构和形态有关。
在同一温度条件下,金属材料中,晶界扩散速率大于陶瓷材料,而陶瓷材料中,离子晶体的晶格扩散速率大于共价晶体。
3. 晶格扩散的应用晶格扩散在材料科学和工程中有着广泛的应用,例如在金属材料的淬火过程中,通过控制晶体内的原子扩散,可以改变金属的物理性质和机械性能,以满足不同的工程需求。
三、晶界扩散1. 晶界扩散的概念晶界扩散是指晶体内部原子或离子沿着晶界进行迁移的过程,这种扩散方式是晶体中最主要的扩散方式之一。
晶界扩散与晶格扩散相比,离子或原子在晶界上的迁移往往速率更快。
2. 晶界扩散的影响晶界扩散对晶体的晶粒长大和再结晶过程有着重要的影响。
在高温下,晶界扩散会导致晶粒的长大和晶界迁移,从而影响材料的塑性变形和力学性能。
在金属材料的热处理过程中,晶界扩散也起着至关重要的作用。
3. 晶界扩散的应用在材料的界面工程中,通过控制晶界扩散,可以改变材料的界面性质,提高材料的界面结合强度和耐磨性。
晶界扩散还广泛应用于半导体材料的制备和微电子器件的制造。
四、表面扩散1. 表面扩散的概念表面扩散是指原子、离子或分子在晶体表面进行迁移的过程。
表面扩散与晶格扩散和晶界扩散相比,具有独特的表面形貌和表面活性,其速率受到表面结构和温度的影响。
2. 表面扩散的影响表面扩散在材料加工、质量控制和薄膜沉积等方面具有重要的影响。
扩散
第八部分 扩散在固体中,由于温度作用,原子会产生迁移现象,即原子从原来的平衡位置迁移到新的平衡位置。
虽然单个原子的迁移是随机的,但一定条件下大量原子的迁移有可能造成原子的宏观流动,这种现象称为扩散。
扩散是由于大量原子的热运动引起的物质宏观迁移(物质内部由于热运动而导致原子或分子迁移的过程)。
物质中的粒子由于热力学的影响,自发地进行迁移以达平衡的现象称为扩散。
在固体中,原子或分子的迁移只能靠扩散来进行,扩散是固体中物质传输的唯一方式。
说明:物质的迁移可通过对流和扩散两种方式进行,气体、液体中一般是通过对流和扩散来实现的,但固体中不发生对流,扩散是唯一的物质迁移方式。
扩散与材料在生产使用中的许多重要物理化学过程有密切关系,固体中许多反应:合金的相变、粉末烧结、离子固体的导电、外来分子向聚合物的渗透都受扩散的控制。
对扩散的研究主要有两方面:(ⅰ)对定向扩散流建立数学方程式,总结宏观规律。
已知边界条件、扩散系数条件下,计算浓度分布情况; 通过实验,利用公式求出扩散系数。
(ⅱ)搞清微观本质,探讨微观运动与扩散系数的关系,分析影响扩散的原因。
8.1 扩散现象及分类 扩散现象晶体中扩散的基本特点 从不同角度对扩散进行分类 ① 按浓度均匀程度分互扩散:有浓度差的空间扩散 自扩散:没有浓度差的空间扩散 ② 按扩散方向分上坡扩散:由高浓度区向低浓度区的扩散(顺扩散) 下坡扩散:由低浓度区向高浓度区的扩散(逆扩散) ③ 按原子的扩散方向分体扩散:在晶粒内部进行的扩散 表面扩散:在表面进行的扩散 晶界扩散:沿晶界进行的扩散其中,表面扩散和晶界扩散又称短路扩散,其扩散速度比体扩散快得多。
此外,还有沿位错线的扩散、沿层错面的扩散等。
原子的扩散激活能原子被束缚在其平衡位置上的势垒称为迁移激活能,其大小不仅与原子间的结合力有关,还与原子迁移的微观机制有关。
大量原子迁移的宏观效果就是扩散,故原子的迁移激活能就是原子的扩散激活能。
扩散
(b) Schematic represent ations of Cu and Ni with in the diffusion couple.
2
统计结果,在宏观上就会出现离
子的定向漂移;
Ea
1
Ea - 2 Eqd
d
填隙离子左端的势垒增高了 Eqa ,
2
填隙离子右端的势垒却降低了 Eqa,
2
填隙离子向左、右两边跳跃的概率分别为:
P = ν e-( Ea+Eqa / 2)/ kBT
左
0
P = ν e-( Ea-Eqa/ 2) / kBT
右
0
扩散
4.1扩散定义、现象、分类 4.2扩散机制 4.3扩散定律 4.4扩散系数 4.5离子晶体中的点缺陷和离子性导电
扩散现象对于固体在生产技术中的应用有 很广泛的影响,金属材料制造工艺中的许 多问题都与扩散有关,近年来。扩散被发 展成为制造半导体器件的一种重要技术。
4.1.1 扩散定义
扩散(diffusion)是物质中原子(分子或离子) 的迁移现象,是物质传输的一种方式。扩 散是一种由热运动引起的物质传递过程。 扩散的本质是原子依靠热运动从一个位置 迁移到另一个位置。扩散是固体中原子迁 移的唯一方式。
2
D x
2
x
1
x2n(x,t)dx 2Dt
2t
N -
D值反映原子布朗运动的强弱
4.4.1填隙原子的扩散系数
e 按玻尔兹曼统计,温度为T,原子具有能量 概率 kBT
体积扩散和晶界扩散名词解释-概述说明以及解释
体积扩散和晶界扩散名词解释-概述说明以及解释1.引言1.1 概述体积扩散和晶界扩散是材料科学中两个重要的扩散现象。
扩散是物质在固体内部的原子或分子从高浓度区域向低浓度区域的传输过程。
在晶体结构中,扩散是通过原子或分子的跳跃来实现的,目的是达到能量的最低点。
体积扩散和晶界扩散是两种不同的扩散机制,分别发生在固体体积内部和晶界处。
体积扩散主要发生在固体结构的体积内部,即晶体内部的原子或分子之间的传输。
这种扩散过程是通过晶体晶格中的空位或间隙来实现的,并具有一定的速率和规律。
体积扩散在金属材料中尤为常见,对于材料的晶粒生长、相变行为和物理性能等都起着重要的影响。
晶界扩散指的是发生在晶体内部的晶界区域的扩散现象。
在晶体生长或材料加工过程中,由于晶粒的不完整性或晶体之间的接触,形成了晶界区域。
晶界的形成带来了晶体内部的一些缺陷和杂质,导致了晶界处的原子或分子传输过程。
晶界扩散对于晶粒生长的影响较大,也对材料的力学性能和耐蚀性等方面有一定的影响。
本文将对体积扩散和晶界扩散的定义、原理、影响因素、应用和意义进行详细的解释和探讨。
同时,还将比较和对比这两种不同的扩散机制,探究它们之间的区别和联系。
最后,通过总结体积扩散和晶界扩散的概念,强调它们在材料科学中的重要性,并展望未来的研究方向。
通过对这两个名词的解释和探讨,可以更好地理解和应用扩散现象,促进材料科学的发展和应用。
1.2文章结构文章结构部分的内容可以按照以下方式编写:1.2 文章结构本文将主要分为三个部分进行讨论。
首先,在引言部分将对体积扩散和晶界扩散的概念进行简要介绍,旨在引起读者对这两个重要的扩散现象的兴趣。
其次,在正文部分,将详细讨论体积扩散和晶界扩散的定义、原理、影响因素、应用和意义。
其中,对于体积扩散,将重点介绍其在材料科学中的重要作用以及相关领域中的应用。
对于晶界扩散,将探讨其与晶界结构的关系,以及晶界扩散在材料制备、合金强化等方面的应用。
最后,在结论部分,将总结体积扩散和晶界扩散的概念和特点,并强调它们在材料科学领域中的重要性。
扩散3.2
这种由于置换互溶原子因相对扩散速度不 同而引起的标记移动的不均衡扩散现象, 被称为柯肯达尔效应。
§3.3 达肯方程
3.3.1柯肯达尔效应
这种由于置换互溶原子因相对扩散速度不 同而引起的标记移动的不均衡扩散现象, 被称为柯肯达尔(Kirkendall )效应。
2
Q Ev E
空位扩散激活能Q是由空位形成能ΔEV和空位 迁移能(即原子的激活内能)ΔE组成 原子以空位机制扩散要比间隙扩散困难得多, 主要原因是每个原子周围出现空位的几率较小, 原子在每次跳动之前必须等待新的空位移动 到它的近邻位置。
四、扩散激活能的测量
在物理冶金中,许多重要过程都与温度相关, 如晶粒长大、蠕变速率、腐蚀速度等。如 果在不同温度下测定扩散系数,发现扩散 系数D与温度T之间的关系也可用Arrhenius 方程表达: D=D0e-Q/RT 式中D0和Q取决于物质的成分和结构,但与 温度无关。D0称为扩散常数或频率因子。Q 为扩散激活能(J/mol)
第三章 固体中的扩散
当某些原子具有足够高的能量时,便会离开原 来的位置,跳向邻近的位置,这种由于物质中 原子(或者其他微观粒子)的微观热运动所引 起的宏观迁移现象称为扩散。
物质传输的方式: 1、对流--由内部压力或密度差引起的 2、扩散--由原子热运动引起的 气态和液态物质传输/原子迁移可以通过对流 和扩散两种方式进行,对流要比扩散快得多。
扩散激活能一般靠实验测量,首先将式两边取对数
Q ln D ln D0 kT
(1)由实验测定在不同 温度下的扩散系数,并 以1/T为横轴,lnD为纵 轴绘图。 (2)如所绘的是一条直线, 根据上式,直线的斜率为 -Q/k,与纵轴的截距为 lnD0
《材料科学基础》第四章 固体中的扩散
第四章固体中的扩散物质传输的方式:1、对流--由内部压力或密度差引起的2、扩散--由原子性运动引起的固体中物质传输的方式是扩散扩散:物质中的原子或分子由于热运动而进行的迁移过程本章主要内容:扩散的宏观规律:扩散物质的浓度分布与时间的关系扩散的微观机制:扩散过程中原子或分子迁移的机制一、扩散现象原子除在其点阵的平衡位置作不断的振动外,某些具有高能量的单个原子可以通过无规则的跳动而脱离其周围的约束,在一定条件下,按大量原子运动的统计规律,有可能形成原子定向迁移的扩散流。
将两根含有不同溶质浓度的固溶体合金棒对焊起来,形成扩散偶,扩散偶沿长度方向存在浓度梯度时,将其加热并长时间保温,溶质原子必然从左端向右端迁移→扩散。
沿长度方向浓度梯时逐渐减少,最后整个园棒溶质原子浓度趋于一致二、扩散第一定律(Fick第一定律)Fick在1855年指出:在单位时间内通过垂直于扩散方向某一单位截面积的扩散物质流量(扩散通量)与该处的浓度梯度成正比。
数学表达式(扩散第一方程)式中 J:扩散通量:物质流通过单位截面积的速度,常用量钢kg·m-2·s-1D:扩散系数,反映扩散能力,m2/S:扩散物质沿x轴方向的浓度梯度负号:扩散方向与浓度梯度方向相反可见:1), 就会有扩散2)扩散方向通常与浓度方向相反,但并非完全如此。
适用:扩散第一定律没有考虑时间因素对扩散的影响,即J和dc/dx不随时间变化。
故Fick第一定律仅适用于dc/dt=0时稳态扩散。
实际中的扩散大多数属于非稳态扩散。
三、扩散第二定律(Fick第二定律)扩散第二定律的数学表达式表示浓度-位置-时间的相互关系推导:在具有一定溶质浓度梯度时固溶体合金棒中(截面积为A)沿扩散方向的X轴垂截取一个微体积元A·dx,J1,J2分别表示流入和流出该微体积元的扩散通量,根据扩散物质的质量平衡关系,流经微体积的质量变化为:流入的物质量—流出的物质量=积存的物质量物质量用单位时间扩散物质的流动速度表示,则流入速率为,流出速率为∴积存率为积存速度也可以用体质C的变化率表示为比较上述两式,得将Fick第一定律代入得=(D) ——扩散第二方程若扩散系统D与浓度无关,则对三维扩散,扩散第二方程为:(D与浓度,方向无关)1、晶体中原子的跳动与扩散晶体中的扩散是大量原子无规则跳动的宏观统计结果。
第12讲 晶体中的扩散及其微观机理
-e
第 二 讲
+ +
+
F心
ClK+ ClK+ -e K+ ClNa+ Cl-
FA心 如果F心的六个最近邻离子 中的某一个被另一个不同的碱 金属离子取代,就形成FA心。
晶 - 体 中 + 的 扩 散 及 其 K+ 微 观 Cl- 机 理
K+
FA心
色 心
第 四 章 晶 体 结 构 中 的 缺 陷
第 四 章 晶 体 结 构 中 的 缺 陷
4.2.1 扩散第一定律 稳态扩散 在扩散过程中,扩散系统各点的浓度只随距 离变化,而不随时间而变化,即C/t=0。
第 二 讲
晶 体 中 在稳态扩散条件下,通过某处的扩散通量j与 的 扩 该处的浓度梯度成正比,即 散 C 及 j D 其 x 微 该式称为费克第一定律,或称为扩散第一定律。 观 机 式中D为扩散系数, C/x为扩散粒子的浓度梯度, 理
x 2D
2
第 二 讲
晶 体 中 的 扩 散 及 其 微 观 机 理 色 心
是扩散粒子完成一次布朗行程所需时间 的平均值。
第 晶体中的扩散包括:互扩散和自扩散。 四 互扩散是指外来杂质原子在晶体中的扩散。 章 自扩散是指构成晶体的基质原子在晶体中的扩散。 晶 体 结 构 中 的 缺 陷
第 二 讲
I EI exp kT
同样,扩散系数随温度的升高而增大,随激 活能的减小而增大。
色 心
第 四 章 晶 体 结 构 中 的 缺 陷
杂质原子的扩散——互扩散
第 二 讲
晶 体 中 的 扩 散 及 其 微 观 机 理 色 心
互扩散的扩散机制与自扩散机制相似,但是 由于杂质原子大小等因素的影响,一般互扩 散系数比自扩散系数大.
第11章扩散
三维方向:
x y z c是溶质单位容/体积浓度,g或mol或质点数/cm3;J为扩散通量,即单位时间单位面积 上溶质扩散的量,g或质点数/cm2· s;D为扩散系数cm2/s ;
J D C D (i
c
j
c
k
c
)
负号表示粒子从浓度高处向浓度低处扩散,即逆浓度梯度的方 向扩散。 稳定扩散:质点浓度分布不随时间变化的扩散(c/t=0); 不稳定扩散:质点浓度分布随时间变化(c/t≠0)。
第十一章
扩
散
扩 散:扩散现象是由于物质中存在浓度梯度、化学位梯度、
温度梯度和其它梯度所引起的物质输运过程。
由于热起伏的存在,晶体中的某些原子或离子由于剧烈的热 振动而脱离格点进入晶格中的间隙位置或晶体表面,同时在晶 体内部留下空位;而且,这些处于间隙位置上的原子或原格点 上留下来的空位可以从热涨落的过程中重新获取能量,从而在 晶体结构中不断地改变位置而出现由一处向另一处的无规则迁 移运动,这就是晶格中原子或离子的扩散。
(11-6)
4
若t时间内,体积元中质点浓度平均增量为c,则根据物质守 恒定律,cdxdydz应等于式(11-6),因此得:
c
J y J X J z x t y z
c
或
c t
J
(D C )
一、扩散的一般推动力(温度?浓度?)
根据广泛适用的热力学理论,可以认为扩散过程与其他物理化学 过程一样,其发生的根本驱动力应该是化学位梯度。一切影响扩散的 外场(电场、磁场、应力场等)都可统一于化学位梯度之中,且仅当 化学位梯度为零,系统扩散方可达到平衡。下面以化学位梯度概念建 立扩散系数的热力学关系(能斯特-爱因斯坦公式) 。
6.2 晶体中的扩散及其微观机制
验数据。
材料
扩散元素 D0 / (cm2 s-1 ) Fe
3 10 4
Q /(4.1868 103 J mol
77.2 28.7 9.2
1
D / (cm2 s-1 ) 测量温度 0C
715 8870 C 800 11000 C
Fe( - Fe)
C(间隙原子) 1.67 10 2 H(间隙原子) 1.65 10 2 C(间隙原子)
0Ie
(uI uS EI ) ( kBT )
(6.2.13)
由于缺陷形成能 uI uS比 EI 大,故比较式(6.3.13) 。因此在布朗行程时 及式(6.3.12)后,可知 间 中,可忽略 f I ,则
0Ie
(uI uS EI ) ( kBT )
如果杂质原子是以填隙方式存在于晶体中,那么 它本身就是填隙原子,并通过填隙原子迁移方式在晶 体中扩散,如氢、硼、碳等在铁中扩散。其扩散系数
3.0 107
1.1 10 5.8 10 4 7.2 10-4
57.2
925 0C
750 950 0 C
Cu
Ag
Cu Cu Zn Ag
Ag(间界元 素)
4.0 1011
42.0 45
850 0 C 641 884 0 C
9 102
8.7 10
21.5
74
Ge
Ge
Sb
Li(间隙原 Leabharlann )1. 空位机制这种机制认为扩散过程是通过空位的迁移而实现的,即 扩散原子与空位交换位置而迁移。当原子邻近有一空位时, 原子才能跳跃一步。设原子跳跃一步所需的时间为 S 。但实 际上,原子邻近有空位的几率为 ns N ,即空位平均跳 N / nS 步,也就是说空位经历 ( N / nS ) S时间间隔才能接近扩散原子并 与之交换位置,完成一次布朗行程的跳跃。因此
溶剂扩散法晶体
溶剂扩散法晶体介绍溶剂扩散法晶体是一种常用的合成晶体的方法。
通过将可溶性溶剂和溶质溶解在溶液中,然后通过溶剂的蒸发或者溶液的扩散使溶剂含量下降,导致过饱和度的增加,从而促进晶体的形成。
本文将详细讨论溶剂扩散法晶体的原理、步骤以及相关应用。
原理溶剂扩散法晶体的形成原理基于溶液的扩散过程。
当溶质溶解在溶剂中时,溶质分子会随机分布在溶液中,形成一个动态平衡。
而溶剂和溶质之间的分子间相互作用力不同,使得在溶剂扩散过程中溶质分子具有不同的扩散速度。
通过控制溶剂的蒸发速率或者扩散速度,可以使得溶质分子逐渐聚集并形成晶体。
方法溶剂扩散法晶体的步骤如下:1. 选择合适的溶剂选择合适的溶剂是合成高质量晶体的关键。
溶剂应具有以下特点: - 可与溶质快速溶解形成均匀的溶液 - 可适度蒸发或扩散,使得溶剂的浓度逐渐下降 - 无毒、无害,避免对人体和环境造成危害2. 配制溶液将溶剂加热至适当温度,然后逐渐加入溶质,使其完全溶解。
可以根据需要调整溶质的浓度。
3. 控制扩散速率可以通过以下方式控制溶剂的扩散速率: - 调整溶液的温度,高温下溶剂蒸发速率快,低温下扩散速率慢 - 改变溶液的容器大小和形状,小容器和窄底容器利于溶剂蒸发从而加快扩散速率 - 调节环境湿度,低湿度有利于溶剂蒸发,加快扩散速率4. 晶体的形成随着溶剂蒸发或扩散,溶质浓度逐渐增加,超过溶解度限制,溶质开始形成晶体。
晶体的生长速率取决于扩散速率和晶体核心的质量。
应用溶剂扩散法晶体的方法简单易行,适用于多种溶解度较高的物质。
它在以下领域具有广泛应用:1. 蛋白质晶体学在蛋白质晶体学研究中,溶剂扩散法是常用的生长晶体的方法之一。
通过溶剂扩散法,可以得到高质量、大尺寸的蛋白质晶体,为蛋白质结构解析提供重要的工具。
2. 硅片制备溶剂扩散法可以用于制备硅片,它是集成电路制造中的重要工艺步骤之一。
通过将硅溶胶溶液放置在高湿度环境中,溶液中的溶质浓度逐渐升高,进而沉积在硅片表面形成薄膜。
分子扩散
分子扩散简称扩散,在浓度差或其他推动力的作用下,由于分子、原子等的热运动所引起的物质在空间的迁移现象,是质量传递的一种基本方式。
以浓度差为推动力的扩散,即物质组分从高浓度区向低浓度区的迁移,是自然界和工程上最普遍的扩散现象;以温度差为推动力的扩散称为热扩散;在电场、磁场等外力作用下发生的扩散,则称为强制扩散。
在化工生产中,物质在浓度差的推动下在足够大的空间中进行的扩散最为常见,一般分子扩散就指这种扩散,它是传质分离过程的物理基础,在化学反应工程中也占有重要地位。
此外,还经常遇到流体在多孔介质中的扩散现象,它的扩散速率有时控制了整个过程的速率,如有些气固相反应过程的速率。
至于热扩散只在稳定同位素和特殊物料的分离中有所应用,强制扩散则应用甚少。
斐克定律1855年德国人A.E.斐克提出描述分子扩散规律的基本定律。
在组分A和B 的混合物中,组分A的扩散速率(也称扩散通量),即单位时间内组分A通过垂直于浓度梯度方向的单位截面扩散的物质量为:J A=-D ABΔC A式中负号表示物质A向浓度减小的方向传递;D AB为组分A在组分B中的分子扩散系数;ΔC A 为浓度C A的梯度。
如果C A仅沿x方向变化,则简化为:此式类似于热量传递中的傅里叶定律(见热传导)和动量传递中的牛顿粘性定律(见粘性流体流动)。
多孔介质中的扩散物质在多孔介质中的扩散,根据孔道的大小、形状以及流体的压强不同分为三类情况(见图)。
①容积扩散。
当毛细管孔道直径远大于分子平均自由程憳,即(憳/2r)≤(1/100)(r为毛细孔道的平均半径)时,在分子的运动中主要发生分子与分子间的碰撞,分子与管壁的碰撞所占比例很小。
其扩散机理与分子扩散相同,故也称分子扩散。
孔内所含流体的分子扩散,仍可用斐克定律来计算;只需考虑多孔介质的空隙率ε和曲折因数τ(表示因毛细孔道曲折而增加的扩散距离),对一般的分子扩散系数加以修正。
此时有效扩散系数为:②克努森扩散。
如气体压强很低或毛细管孔径很小,气体分子平均自由程远大于毛细孔道直径,即(憳/2r)≥10,这就使分子与壁面之间的碰撞机会大于分子间的碰撞机会。
晶体中的缺陷和扩散
第十二章 晶体中的缺陷和扩散
完整晶体(理想晶体) 所有原子都规则排列 非完整晶体(实际晶体) 晶体中有各种 缺陷 在晶体中 原子的排列对严 格周期性的偏离 称为晶体的缺陷 缺陷影响晶体的性质 如强度 导电[例如在 105 个 Si 原子中有一个 B 硼 原子 Si 的电导率增大 1000 倍] 颜色 晶体生长 相变 晶体的缺陷并非总是坏事 研究晶体的缺陷 就是研究缺陷与晶体宏观性质 的关系 以及缺陷的分类 形成 运动 测量 控制 利用等
413
说明 对于一般情况 常温 常见晶体
空位较间隙原子易形成 热
缺陷只考虑 Schottky 缺陷和 Frenkel 缺陷就可以了 因空位多于间隙原子 如 80
个空位 30 个间隙原子 50 个 Schottky 缺陷 30 个 Frenkel 缺陷
二.线缺陷 位错
晶体周期性的破坏,发生在晶体内部一条线的附近,为线缺陷 最主要的线缺
或后退,轴线附近的原子,其排列与完整晶体不同,为螺位错 该轴线为螺位错
线 P.536 图 12-7, 12-8
[模型]
三.面缺陷 此类缺陷发生在晶体内部的二维曲面上
晶界(晶粒间界) ⎯ 单晶粒之间的界面 晶界一般是由少数层排列错乱的
原子所形成的面 晶界的效应是多方面的 如晶界的运动 大晶粒侵并小晶粒
411
固体物理讲稿
电子轰击 电解
* 极化子 ⎯ 进入完整晶体的电子使周围晶格发生畸变,它吸引正离子内移,
排斥负离子外移,从而产生极化 这种极化又趋于束缚电子 这种束缚称为电子的
自陷 作用 形象比喻 小铁球放在橡皮垫上 自陷电子在晶体中不断运动
着 这种携带着周围晶格的畸变而运动的电子 可视为一种准粒子 称为极化子
半导体制造工艺之扩散原理
半导体制造工艺之扩散原理引言半导体制造工艺中的扩散是一种重要的步骤,用于在半导体材料中引入或控制杂质的浓度分布。
扩散过程是通过高温下将杂质分子在半导体晶体中的自由扩散实现的。
本文将介绍半导体制造工艺中的扩散原理以及相关的技术和应用。
扩散原理扩散是指在固体中,不同的原子或分子由于热运动而互相转移的过程。
在半导体制造工艺中,常见的扩散过程是通过高温下将杂质原子引入半导体晶体中,从而改变其导电性能。
扩散过程中,杂质原子会从高浓度区域向低浓度区域扩散,不断地向晶体内部转移。
扩散速度取决于杂质原子的浓度梯度,扩散系数和材料的温度。
半导体晶体的晶格结构和杂质原子的尺寸也会影响到扩散速度。
扩散技术热扩散热扩散是半导体制造中最常用的扩散技术,它是通过高温处理将杂质原子引入晶体中。
常见的扩散设备包括扩散炉和扩散蒸发器。
在热扩散过程中,将半导体晶体和源材料一同放入扩散炉中,通过控制炉温和扩散时间来调整杂质原子的浓度分布。
离子注入离子注入是一种直接将高能量离子注入到半导体晶体中的扩散技术。
在离子注入过程中,通过控制加速电压和注入剂量来控制离子的能量和浓度分布。
离子注入在制造MOSFET器件和深结构规模集成电路中广泛应用。
分子束外延分子束外延是一种高真空技术,通过热蒸发或分子束淀积将杂质原子沉积在半导体晶体表面。
通过控制杂质的分子束强度和沉积速度,可以实现对杂质浓度和分布的高精度调控。
分子束外延常用于制备薄膜和高性能器件。
扩散应用掺杂形成PN结在半导体器件中,通过控制杂质的扩散可以形成PN结,这是半导体器件中常见的结构。
PN结具有整流特性,在半导体器件中起到了关键作用。
控制扩散过程可以调整PN结的深度和浓度分布,从而优化器件的性能。
温度传感器扩散过程中的温度影响着扩散速度,因此扩散过程可以用于制造温度传感器。
通过测量扩散速度,可以间接得到环境的温度信息。
晶体管制造扩散过程在晶体管制造中也扮演着重要的角色。
通过控制杂质原子的扩散,可以形成晶体管的掺杂区域,从而实现对晶体管性能的调控。
工程材料基础-4. 固体中的扩散
4.1.1 扩散的微观机制及扩散激活能
扩散机制:原子如何在晶格内迁移, 主要包括有空位扩散机制和间隙扩散机 制。
1. 空位机制
定义:处于晶体点阵结点位置的原子与近 邻空位交换位置而实现原子迁移,这种 扩散机制为空位扩散机制。 条件:扩散原子近邻存在空位;扩散原子 具有扩散激活能。 空位扩散激活能:空位形成能和跳动激活 能。
4.3
4.3.1
影响扩散的因素
温度的影响
4.3.2 晶体结构的影响
4.3.3 固溶体类型对扩散的影响
4.3.4 固溶体浓度对扩散的影响
4.3.5 晶体缺陷的影响
4.3.1
温度的影响
温度影响扩散系数:
Q D D0 exp RT
式中:D0为扩散常数(cm2/s); Q为扩散激活能(J/mol); R为气体常数(8.31J/mol · K), T为绝对温度(K) 温度高,原子热振动剧烈,易发生迁移,扩散系 数大。
对于非稳态扩散,可根据边
界条件求解扩散微分方程,对于 气体进入固体的扩散过程,这个 方程的一个特解可用来解决生产 中的一些实际问题。
图4-6 气体在固体中的扩散
2、扩散第二定律的应用举例
假定气体A在固体B中进行扩散,随着扩散时间的 增加,沿x轴方向任一点的溶质原子浓度也要增加,图 4-6 (b)给出两个时间(t1和t2)的溶质原子浓度分布。 如果气体A在固体B中的扩散系数与位置无关,则Fick 第二定律的解为 : Cs Cx x erf Cs C0 2 Dt 式中:cs为气体元素在表面的浓度;co为固体的原始浓 度;cx为时间t时、距表面x处的元素浓度;x为距表面 距离; D为溶质元素的扩散系数;t为时间。
设扩散沿x轴方向进行,且浓度梯度为 dc , 则可表 dx 述为:
晶界扩散名词解释
晶界扩散名词解释
晶界扩散是指在晶体中,原子或分子通过晶界(晶体的界面)进行扩散的过程。
晶界是晶体中不同晶粒的交界面,晶界的存在会影响晶体的性质和行为。
晶界扩散可以通过两种方式进行:一种是沿着晶界平面进行扩散,另一种是沿着晶界线进行扩散。
晶界扩散的速率取决于扩散的原子或分子在晶界内的移动能力和晶界的类型、结构以及晶格的缺陷等因素。
晶界扩散在材料科学研究和工业生产中具有重要的意义,例如在合金的晶界固溶、晶界弥散等方面。
溶剂扩散法晶体
溶剂扩散法晶体
溶剂扩散法晶体是一种制备高质量晶体的方法,它利用溶剂中的溶质
在溶液中扩散,从而在晶体生长过程中形成晶体。
这种方法适用于许
多材料,如有机分子、无机盐和生物分子等。
在溶剂扩散法晶体制备过程中,首先需要选择合适的溶剂和溶质。
溶
剂应该具有良好的溶解性和挥发性,而溶质应该具有良好的晶体生长
性能。
然后将溶剂和溶质混合,形成溶液。
接着将溶液放置在一个密
闭的容器中,容器内的空气湿度应该控制在一定范围内。
在一定时间内,溶剂中的溶质会扩散到溶液中,形成过饱和溶液。
当过饱和度达
到一定程度时,晶体就会开始生长。
溶剂扩散法晶体制备的优点在于可以制备高质量的晶体。
由于溶剂扩
散法晶体制备过程中晶体生长速度较慢,因此可以得到较大尺寸和较
高质量的晶体。
此外,溶剂扩散法晶体制备过程中的条件比较温和,
不需要高温高压,因此适用范围较广。
但是,溶剂扩散法晶体制备也存在一些缺点。
首先,制备过程比较复杂,需要控制溶液中的温度、湿度和溶质浓度等多个因素。
其次,制
备过程中晶体生长速度较慢,需要较长时间才能得到足够大的晶体。
最后,溶剂扩散法晶体制备过程中容易受到外界环境的影响,如温度、
湿度和空气流动等因素都会影响晶体的生长。
总之,溶剂扩散法晶体是一种制备高质量晶体的有效方法。
虽然制备过程比较复杂,但是可以得到较大尺寸和较高质量的晶体。
在实际应用中,需要根据具体情况选择合适的溶剂和溶质,并控制好制备过程中的多个因素,以获得最佳的制备效果。
分子筛晶内扩散系数测定的新公式
分子筛晶内扩散系数测定的新公式
分子筛晶内扩散系数是一种评价晶体材料的测量尺度,用于衡量
物质在晶体中在温度和压力变化时的反应性能。
最近,将分子筛晶内
扩散系数和原子可见性指标联系起来,推导出了一种全新的公式,它
可以更加准确地测量晶体材料的分子筛内扩散系数。
新公式是:布朗因子(B)= I(T,P)/I(T0,P0)×α(T,P)/α(T0,P0),其中I(T,P)和I(T0,P0)分别代表T和P下的
原子可见性;α(T,P)和α(T0,P0)则是晶体材料在T和P变化
时的扩散系数。
使用新公式可以在温度和压力变化情况下,获得晶体材料的分子
筛内扩散系数的准确估计,而不需要进行大量的实验,也更加容易使用。
另外,由于原子可见性参数直接表明了物质在晶体中的活动,因
此这种公式也可以用于推断晶体微观结构的变化,从而更好地理解晶
体材料的性质。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
第三章固体材料中的扩散Chapter3 The Diffusion in Solid Materials本章基本问题:1. 菲克第一定律的含义和各参数的量纲。
2.能根据一些较简单的扩散问题中的初始条件和边界条件。
运用菲克第二定律求解。
3.柯肯达耳效应的起因,以及标记面漂移方向与扩散偶中两组元扩散系数大小的关系。
4.互扩散系数的图解方法。
5.“下坡扩散”和“上坡扩散”的热力学因子判别条件。
6.扩散的几种机制,着重是间隙机制和空位机制。
7.间隙原子扩散比置换原子扩散容易的原因。
8.计算和求解扩散系数及扩散激活能的方法。
9.影响扩散的主要因素。
Questions for chapter 31. What is the the meaning of Fick’s first law?2. How to solve the problems by Fick’s second law?3. What is the the Kirkendall effect?4. How to explain diffusion coefficient schematically?5. What is the diffusion driving force;6. What are diffusion mechanisms, expecially interstitial and vacancy mechanisms7. What is the reason that interstitial diffusion is easier than substitutional diffusion?8 What are the methods to compute diffusion coefficient and diffusion activation energy?9. What are main factors affecting diffusion?The field of diffusion studies in metals is of great practical, as well as theoretical importance. By diffusion one means the movements of atoms within a solution. In general, our interests lie in those atomic movements that occur in solid solutions. This chapter will be devoted in particular to the study of diffusion in substitutional solid solutions and atomic movements in interstitial solid solutions.Diffusion is a process of mass transport that involoves the movement of one atomic species into another.3-1扩散方程Sec.3.1 Diffusion Equations1 菲克第一定律Fick’s First LawDiffusion can be modeled as the jumping of atoms from one plane to another.(1)第一定律描述:单位时间内通过垂直于扩散方向的某一单位面积截面的扩散物质流量(扩散通量J flax or the rate of diffusion)与浓度梯度(concentration gradient)成正比。
The rate of diffusion is proportional to the concentration gradient.(2)表达式:J=-D(dc/dx)。
(C-溶质原子浓度;D-扩散系数Diffusivity or diffusion coefficient。
)(3)适用条件:稳态扩散,dc/dt=0。
浓度及浓度梯度不随时间改变。
Fick’s first law assumes that the concentration gradient is independent of tim e.2菲克第二定律Fick’s Second Law一般:∂C/∂t=∂(D∂C/∂x)/ ∂x二维:(1)表达式特殊:∂C/∂t=D∂2C/∂x2三维:∂C/∂t=D(∂2/∂x2+∂2/∂y2+∂2/∂z2)C稳态扩散:∂C/∂t=0,∂J/∂x=0。
(2)适用条件:非稳态扩散:∂C/∂t≠0,∂J/∂x≠0(∂C/∂t=-∂J/∂x)。
Assume that diffusivity, D is independent of C, the rate of change in concentration with time, ∂C/∂t is proportional to the rate at which the concentration gradient changes with distance in a given direction, ∂2C/∂x23扩散第二定律的应用(1)误差函数解适用条件:无限长棒和半无限长棒。
表达式:C=C1-(C1-C2)erf(x/2√Dt) (半无限长棒)。
在渗碳条件下:C:x,t处的浓度;C1:表面含碳量;C2:钢的原始含碳量。
(2)正弦解C x=Cp-A0sin(πx/λ)Cp:平均成分;A0:振幅Cmax- Cp;λ:枝晶间距的一半。
对于均匀化退火,若要求枝晶中心成分偏析振幅降低到1/100,则:[C(λ/2,t)- Cp]/( Cmax- Cp)=exp(-π2Dt/λ2)=1/100。
Experimental work has shown that the atoms in face-centered cubic, body-centered cubic, and hexagonal metals move about in the crystal lattice as a result of vacancy motion. Let it now be assumed that the jumps are entirely random; that is, the probability of jumping is the same for all of the atoms surrounding a given vacancy. This statement implies that the jump rate does not depend on the concentration.Fig. 3.1 Hypothetical single crystal with a concentration gradientFig.3.2 Atomistic view of section of the hypothetical crystal of Fig. 3.1Fig.3.1 represents a single crystal bar composed of a solid solution of A and B atoms in which the composition of the solute varies continuously along the length of the bar, but is uniform over the cross-section. For the sake of simplifying the argument, the crystal structure of the bar is assumed to be simple cubic with a <100> direction along the axis of the bar. It is further assumed that the concentration is greatest at the right end of the bar and least at the left end, and that the macroscopic concentration gradient dn A /dx applies on an atomic scale so that the difference in composition between two adjacent transverse atomic planes is:dxdn a A )( 3-1 where a is the interatomic, or lattice spacing (see Fig.3.2). Let the mean time of stay of an atom in a lattice side be τ. The average frequency with which the atoms jump is therefore 1/τ. In the simple cubic lattice pictured in Fig.3.2, any given atom, such as that indicated by the symbol x , can jump in six different directions: right or left, up or down, or into or out of the plane of the paper. The exchange of A atoms betweentwo adjacent transverse atomic planes, such as those designated X and Y in Fig.3.2, will now be considered. Of the six possible jumps that an A atom can make in either of these planes, only one will carry it over to the other indicated plane, so that the average frequency with which an A atom jumps from X to Y is 1/6τ. The number of these atoms that will jump per second from plane X to plane Y equals the total number of the atoms in plane X times the average frequency with which an atom jumps from plane X to plane Y. The number of solute atoms in plane X equals the number of solute atoms per unit volume (the concentration n A ) times the volume of the atoms in plane X, (Aa ), so that flux of solute atoms from plane X to plane Y is)(61a n J A y X τ=→ 3-2 Where y X J → = flux of solute atoms from plane X to plane Y per unit cross-sectionτ= mean time of stay of a solute atom at a lattice siteA n = number of A atoms per unit volumea = lattice constant of crystalThe concentration of A atoms in plane Y may be written:dxdn a n n A A Y A )()(+= 3.3 Where A n is the concentration at plane X , and a is the lattice constant, or distance between planes X and Y . The rate at which A atoms move from plane Y to X is thusτ6)(a dx dn a n J A A X Y ⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=→ 3.4 Where J Y →X represents the flux of A atoms from plane Y to plane X. Because the flux of solute atoms from right to left is not the same as that from left to right, there is a net flux (designated by the symbol J ) which can be expressed mathematically as follows:ττ6)()(6a dx dn a n n a J J J A A A X Y Y X ⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-=-=→→ 3.5 Ordx dn a J A ⋅-=τ62 3.6 Since the cross-sectional area was chosen to be a unit area. Notice that in Eq.3-6, the flux (J ) of A atoms is negative when the concentration gradient is positive (concentration of A atoms increases from left to right in Fig.3.2). This result is general for diffusion in an ideal solution; the diffusion flux is down the concentration gradient. Notice that if one considers the flow of B atoms instead of A atoms, the net flux willbe from left to right, in agreement with a decreasing concentration of the B component as one moves from left to right. Again, the flux (in this case of B atoms) is down the concentration gradient.Let us now make the substitutionτ62a D = 3.7 in the equation for the net flux, which gives:dxdn D J A -= 3.8 This equation is identical with that first proposed by Adolf Fick in 1855 on theoretical grounds for diffusion in solutions. In this equation, called Fick’s first law , J is the flux, or quantity per second, of diffusing matter passing normally through a unit area under the action of a concentration gradient dn A /dx . The factor D is known as the diffusivity , or the diffusion coefficient .3-2 扩散的微观机制Sec. 3.2 Mechanisms of DiffusionThe mechanism of diffusion determines the energy barrier that must be overcome (i.e., the activation energy Q) for the process to occur. Since energy is supplied thermally, the higher the temperature , the greater the probability that large numbers of atoms will have sufficient energy to overcome the energy barrier and the more rapid will be the diffusion process.The lattice geometry also affects the diffusion coefficient through the preexponential constant.Interstitial confussion machanism: when a small interstitial atom or ion is present in the crystal structure, the atom or ion moves from one interstitial site to another. No vacancies are required for this mechanism.间隙-间隙;(1)间隙机制 平衡位置-间隙-间隙:较困难;间隙-篡位-结点位置。