晶态固体中的原子扩散
第一章 晶态固体中的原子扩散
1、简要说明影响溶质原子在晶体中扩散的因素。
2、Ni 板与Ta 板中有0.05mm 厚MgO 板作为阻挡层，1400℃时Ni ＋通过MgO 向Ta 中扩散，此时Ni ＋
在
MgO 中的扩散系数为D=9×10－12cm 2/s ，Ni 的点阵常数为3.6×10－
8cm 。问每秒钟通过MgO 阻挡层在2×
2cm 2的面积上扩散的Ni ＋
数目，并求出要扩散走1mm 厚的Ni 层需要的时间。
3、对含碳0.1％齿轮气体渗碳强化，渗碳气氛含碳1.2％，在齿轮表层下0.2cm 处碳含量为0.45%时齿轮达到最佳性能。已知铁为FCC 结构，C 在Fe 中的D 0＝0.23，激活能Q ＝32900cal/mol ，误差函数如表10－1。 1）试设计最佳渗碳工艺；
2）在渗碳温度不变，在1000℃时渗碳，要将渗碳厚度增加1倍，即要求在其表面下0.4cm 处渗碳后碳含量为0.45%所需渗碳时间。
Dt x
2Dt x 2
4、一块厚度10毫米，含碳量0.77%的钢在强脱碳气氛中加热到800℃，然后缓慢冷却，试指出试样从表面到心部的组织分布。
5、一块用作承载重物的低碳钢板，为提高其表面硬度采用表面渗碳，试分析：
1) 渗碳为什么在γ-Fe 中进行而不在α-Fe 中进行，即渗碳温度选择要高于727ε ，为什么？ 2) 渗碳温度高于1100ε 会出现什么问题？
6、铜-锌基单相固溶体进行均匀化处理，试讨论如下问题： 1) 在有限时间内能否使枝晶偏析完全消失？
2) 将此合金均匀化退火前进行冷加工，对均匀化过程是加速还是无影响？说明理由。
7、原子扩散在材料中的应用
8、何谓上坡扩散，举两个实例说明金属中上坡扩散现象。
9、简述固溶体合金的扩散机制
扩散原理及技术介绍
扩散原理及技术介绍 袁泽锐 2011.01.17
主要内容 扩散的微观规律 扩散的宏观规律 扩散对电性能的影响 扩散对晶体缺陷的影响 2
一、扩散的微观规律 扩散和布朗运动 扩散机制 晶体中的扩散 晶格原子的扩散 影响扩散系数的因素 3
1.1 扩散和布朗运动 布朗运动又称热运动，不仅在气体和液体中有，在固体中也同样存在；在固体中原子不断地从一个平衡位置跃迁到另一个平衡位置。例如，1223K时碳原子在 γ-Fe中每秒钟要跃迁1010次。 在晶格中原子每次跃迁的距离就是该方向上的原子间距a。一个原子经过多次跃迁才出现一个净位移，如下图所示。但单位时间内原子跃迁的次数愈多造成较大净位移的可能性愈大，或者说回到原来位置的可能性愈小。 所以可以认为单位时间内的净位移愈大，表征布朗运动愈 强烈。这种净位移的大小与浓度梯度的存在与否无关。没 有浓度梯度时原子的布朗运动照样存在，只是不出现定向 扩散流。 4
5 平均平方位移 各原子净位移，从统计观点看，由于有正有负，加起来为零。为了表征布朗运动的强弱，特引入平均平方位移。 平均平方位移的计算方法为：把每个杂质原子净位移的平方加起来再除以杂质原子总数。表示如下： 2222 12N X X X X N +++= 每个杂质原子平方位移和每次跃迁的关系式为： ()1 2 22121 11 2n n n i n j j k j j k j X s s s s s s ?===+=+++=+∑∑ ∑ 上式中，不可能为零，所以n 愈大，愈大，即的大小反映了布朗 运动的强弱。 2j s 2i X 2 X
材料学基础-固体中的扩散 (Diffusion)
固体中的扩散 (Diffusion ） 在固体中的原子和分子不是静止的而是运动的，运动有两种方式： ● 在平衡位置附近的振动，称之为晶格振动 ● 原子的迁移 称之为扩散 本章主要讲述扩散的现象和规律 在固体中原子之所以能迁移是因为： ● 热激活 原子在平衡位置附近振动时的能量起伏 ● 晶格中的间隙 由于缺陷（晶体缺陷 空位、位错和界面）的存在，为原子的迁移创造了条件。 研究扩散可以从两个角度： ● 唯象 （Phenomenological Approach ）从宏观的现象研究扩散 ● 原子结构 （Atomistic Approach ） 从微观的组织结构研究扩散过程的机理 研究扩散的意义在于许多物理冶金和化学冶金现象与扩散有关。如：相变、氧化、蠕变、烧结、内耗等 3.1 唯象理论 3.1.1现象 例：扩散偶 （图1） 可探测到Au *的扩散 3.1.2稳态扩散方程－Fick 第一定律 1、 稳态扩散的含义： 浓度不随时间改变， 即: 2、Fick 第一定律 图1 3、稳态扩散的实例－空心的薄壁圆筒渗碳 条件：圆筒内外碳浓度保持恒定，这样经过一定的时间后，系统达到稳定态，此时圆筒内各点的碳浓度恒定，则有： lt D q r d dC r d dC lt D q l r q dr dC D rlt q t A q J πππ2ln ln ) 2(2- =-==?= 由此可得： 为圆筒高度 为圆筒半径， ； 为通过圆筒侧面的碳量其中：＝ 对于稳态扩散，q/t 是常数，C 可测，l 与r 为已知值，故作C 与r 的关系曲线，求斜率则得D 。 要的物理量。为扩散系数， 一个重 量浓度）；位体积的质量，又称质为原子的体积浓度（单 ；位面积的质量（位时间扩散物质流过单为原子流密度，表示单其中：）－ （D C s m kg J dx dC D J )/132?-=0 =dt dC
半导体中杂质原子扩散的机理
半导体中杂质原子扩散的机理 微电子工艺2010-09-30 14:05:16 阅读152 评论0 字号：大中小订阅 Xie Meng-xian （电子科大，成都市） 在向Si和GaAs等半导体内部掺入施主或者受主杂质原子时，最常采用的技术是热扩散（Thermal Diffusion）和离子注入。对于热扩散技术来说，往往都需要较高的扩散温度；因为施主或受主杂质原子的半径一般都比较大，要它们直接进入到半导体晶格中去是很困难的，然而如果利用高温产生出一些热缺陷，则通过这些热缺陷的帮助即可容易地扩散、并进入到半导体中去。 半导体晶体中原子扩散的机理不同于载流子的扩散。载流子扩散的快慢主要决定于它们所遭受的散射作用；而原子扩散的快慢则主要决定于晶体中热缺陷（间隙原子和空位）的数量。 （1）原子扩散系数： 杂质原子扩散的快慢用相应的扩散系数来表征。因为原子在晶体中的扩散，实际上是通过间隙原子或者晶格空位、一步一步地在晶格之间跳跃前进的；如果所需要跳过的势垒高度为Ea，则扩散系数D与温度T之间的关系可表示为 常数Ea称为扩散激活能。实验表明，溶解度愈小的代位式杂质原子，其扩散系数就愈大。 对于半导体中杂质原子的扩散，为了让晶体中产生出大量的热缺陷，就必须对晶体加热，让晶体原子的热运动加剧，以便于某些原子获得足够高的能量而离开晶格位置，并产生出空位和等量的间隙原子。因此，原子的扩散系数随着温度的升高而指数式增大。对于Si晶体，要在其中形成大量的热缺陷，所需要的温度大致为1000oC左右，这也就是热扩散的温度。 （2）扩散机理： 施主或者受主杂质原子通过热扩散而进入到半导体中之后，必须要处于替代晶格的位置才能起到提供载流子的作用——即具有电活性。从机理上来说，代位杂质原子扩散的具体方式主要有三种： ①利用晶格空位的扩散： 在杂质原子的代位式扩散机理中，可以有两种重要的扩散方式，即(a)直接交换方式和(b)空位交换方式；在这两种代位扩散方式中，杂质原子利用空位的交换方式是最容易进行的（所需要的激活能较低），因此可以认为杂质原子的扩散等效于晶格空位的扩散。 虽然杂质原子以代位方式扩散的速度较慢，需要的扩散温度较高（800oC~1200oC），但是这种扩散可以精确地控制扩散深度（p-n结的结深）和掺杂浓度，只要精确地控制扩散温度即可（往往要求温度控制精度达到±1oC）。Si中硼、磷等杂质的扩散就属于代位式扩散。 ②利用自间隙原子的扩散：
第三章 固体材料中的扩散作业答案
第三章固体材料中的扩散 Chapter3 The Diffusion in Solid Materials 作业1：原版教材第143页第22题 22. Which type of diffusion do you think will be easier (have a lower activation energy)? a. C in HCP Ti b. N in BCC Ti c. Ti in BCC Ti Explain your choice. Solution: A and b interstitial solid solutions, but c is a substitutional solid solution. So the mechanism of diffusion of a and b is interstitial diffusion, and the mechanism of diffusion of c is the vacancy exchange. We have known that the activation energy for vacancy-assisted diffusion Q v are higher than those for interstitional diffusion Q i. So c is the most difficult one comparing a and b, HCP Ti is a close-packed structure, much closer than BCC, so b is the answer. The diffusion of N in BCC Ti will be easier (have a lower activation energy).
扩散的微观机制
扩散的微观机制
扩散的微观机制 扩散唯象理论没有考虑扩散原子的本性及扩散介质的结构,而宏观扩散现象是微观上大量原子迁移的统计行为。深入了解扩散本质需要了解扩散的微观机制。固态金属中原子的扩散机制一般与扩散原子在金属晶体中的位置和扩散介质的晶体结构有关。目前已发现并提出的扩散机制主要有空位机制、间隙机制和交换机制等。 一、换位机制 这是一种提出较早的扩散模型，该模型是通过相邻原子间直接调换位置的方式进行扩散的，如图3.7。在纯金属或者置换固溶体中，有两个相邻的原子A和B，见图3.7（a）；这两个原子采取直接互换位置进行迁移，见图3.7（b）；当两个原子相互到达对方的位置后，迁移过程结束，见图3.7（c）。这种换位方式称为2-换位或称直接换位。可以看出，原子在换位过程中，势必要推开周围原子以让出路径，结果引起很大的点阵膨胀畸变，原子按这种方式迁移的能垒太高，可能性不大，到目前为止尚未得到实验的证实。 为了降低原子扩散的能垒，曾考虑有n个原子参与换位，如图3.8。这种换位方式称为n-换位或称环形换位。图3.8（a）和3.8（b）给出了面心立方结构中原子的3-换位和4-换位模型，参与换位的原子是面心原子。图3.8（c）给出了体心立方结构中原子的4-换位模型，它是由两个顶角和两个体心原子构成的换位环。由于环形换位时原子经过的路径呈圆形，对称性比2-换位高，引起的点阵畸变小一些，扩散的能垒有所降低。
图3.7 直接换位扩散模型 图3.8 环形换位扩散模型 （a）面心立方3-换位（b）面心立方4-换位（c）体心立方4-换位应该指出，环形换位机制以及其他扩散机制只有在特定条件下才能发生，一般情况下它们仅仅是下面讲述的间隙扩散和空位扩散的补充。 二、间隙机制 间隙扩散机制适合于间隙固溶体中间隙原子的扩散，这一机制已被大量实验所证实。在间隙固溶体中，尺寸较大的溶剂原子构成了固定的晶体点阵，而尺寸较小的间隙原子处在点阵的间隙中。由于固溶体中间隙数目较多，而间隙原子数量又很少，这就意味着在任何一个间隙原子周围几乎都是间隙位置，这就为间隙原子的扩散提供了必要的结构条件。例如，碳固溶在γ-Fe中形成的奥氏体，当奥氏体达到最大溶解度时，平均每2.5个晶胞也只含有一个碳原子。这样，当
固体中原子及分子运动
第4章固体中原子及分子的运动 物质的迁移可通过对流和扩散两种方式进行。在气体和液体中物质的迁移一般是通过对流和扩散来实现的。但在固体中不发生对流，扩散是唯一的物质迁移方式，其原子或分子由于热运动不断地从一个位置迁移到另一个位置。扩散是固体材料中的一个重要现象，诸如金属铸件的凝固及均匀化退火，冷变形金属的回复和再结晶，陶瓷或粉末冶金的烧结，材料的固态相变，高温蠕变，以及各种表面处理等等，都与扩散密切相关。要深入地了解和控制这些过程，就必须先掌握有关扩散的基本规律。研究扩散一般有两种方法： ①表象理论一根据所测量的参数描述物质传输的速率和数量等； ②原子理论一扩散过程中原子是如何迁移的。 本章主要讨论固体材料中扩散的一般规律、扩散的影响因素和扩散机制等内容。 固体材料涉及金属、陶瓷和高分子化合物三类； 金属中的原子结合是以金属键方式； 陶瓷中的原子结合主要是以离子键结合方式为主； 而高分子化合物中的原子结合方式是共价键或氢键结合，并形成长链结构，这就导致了三种类型固体中原子或分子扩散的方式不同，描述它们各自运动方式的特征也是本章的主要目的之一。 4.1表象理论 4.1.1菲克第一定律 当固体中存在着成分差异时，原子将从浓度高处向浓度低处扩散。如何描述原子的迁移速率，阿道夫·菲克（Adolf Fick）对此进行了研究，并在1855年就得出：扩散中原子的通量与质量浓度梯度成正比，即 该方程称为菲克第一定律或扩散第一定律。式中，J为扩散通量，表示单位时间内通过垂直于扩散方向x的单位面积的扩散物质质量，其单位为kg/(m2s)；D为扩散系数，其单位为m2/s；而r是扩散物质的质量浓度，其单位为kg/m3。式中的负号表示物质的扩散方向与质量浓度梯度 4.2扩散的热力学分析 菲克第一定律描述了物质从高浓度向低浓度扩散的现象，扩散的结果导致浓度梯度的减小，
第6章气体在固体中的溶解与扩散
气体在固体中的溶解和扩散
气体在固体中的溶解和扩散 ?气体分子的溶解与渗透 ?溶解 由两种或两种以上物质所组成的均匀体系叫做“溶体”。溶体中含量较多的成分称为“溶剂”，其余称为“溶质”。溶剂可以是液体，也可以是气体、固体；溶质可以是固体，也可以是气体、液体。 ?渗透和渗透率 由于在真空容器器壁两侧的气体总是存在压力差，即使固体壁面材料上存在的微孔小到足以阻止正常气体通过，但任何固体材料总是或多或少地渗透一些气体。气体从密度大的一侧向密度小的一侧渗入、扩散、通过、和逸出固体阻挡层的过程成为渗透。这种情况下气体的稳态流率称为渗透率。 ?气体溶质溶解于固体溶剂中的情况 从微观的角度来看，气体溶解于固体的过程可分为五个步骤： ①吸附 在高压侧，气体分子吸附在固体表面上； ②离解 吸附的气体分子有时在固体表面上离解为原子态； ③溶解 气体在固体表层达到与环境气压相对应的溶解浓度； ④扩散 由于表层浓度比较高，在浓度梯度的作用下气体分子
(或原子)向固体深部扩散，直到浓度均匀为止； ⑤脱附 溶质气体扩散到器壁的另一面重新结合成分子后释放（或气体扩散到器壁的另一面后解吸和释出；
气体在固体中的溶解和扩散 ?扩散速度与溶解度 溶解和渗透速度一般由扩散速度所决定，而最终固体材料可溶解的气体量则取决于溶解度。 ?扩散速度——研究溶解（或解溶）的动力学参量 表示溶解（或解溶）没有达到平衡时的进行速度，研究扩散可以知道固体材料吸收或放出气体 的速度。与渗透气体及壁面材料的种类和性质有密切关系； ?溶解度——研究溶解的静力学参量 在一定温度、一定气压下，固体能溶解气体的饱和浓度，称为该温度及气压下的“溶解度”。溶 解度表示材料内溶解达到动态平衡时所溶解的气体量，研究溶解度可以知道各种固体材料在一 定条件下能溶解多少气体； ?影响溶解度的因素 从宏观来看，溶解度与气体一固体组合的性质、气体压强、温度有关。 ?气体在固体中的溶解度——近似有理想溶体的性质 ①如果溶解时各物质成分能以任何比例互溶，体积有可加性，没有热效应发生，则形 成的溶体称为“理想溶体” ②当溶质浓度很小时，许多实际溶体表现得很像理想溶体。气体在固体中的溶解度一般
《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-1
D：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，J 1，J 2 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
第四章 固体材料中的扩散答案
第四章 固体材料中的扩散 作业1：什么类型的扩散最容易发生 (具有最低的激活能)? a. C in HCP Ti b. N in BCC Ti c. Ti in BCC Ti 作业2：如果Au 作为溶剂，请考虑形成固熔体的可能性： a. N, Ag, 和 Cs 这几种元素中，与Au 最容易形成间隙固熔体是哪个？ b. N, Ag, or Cs 这几种元素中，与Au 最容易形成置换固熔体是哪个？ a. N is most likely to form an interstitial solid solution with Au; b. Ag is most likely to for a substitutional solid solution with Au. 作业3：某一刻，在Al 的表面Cu 含量为百分之0.19 个原子，在1.2mm 处含有百分之 0.18个原子，Cu 在Al 中的扩散系数为s m /104214-?，FCC Al 的点阵常数为4.049?。计算Cu 向Al 中的扩散通量？ 答：每个Al 晶胞有4个原子，晶胞体积为a 3，故Al 的原子密度为: () 322383/10026.610049.444cm cm a 个?=?=- 已知Cu 的原子百分数为0.18%和0.19%，即0.0018，0.0019
故3221/10026.60019.0cm c 个??= 3222/10026.60018.0cm c 个??= ()() s cm cm cm s cm x c c D J ??=??-???-=--=-210322241412/100087.212.0/10026.60001.0/10104原子个 作业4：在Fe 中溶入一定量碳，什么温度下扩散2小时与900℃ 扩散15 小时的溶碳效果相同？ D 0900℃ = s m /1020.02 5-? Q 900℃= m ol J /10843? 答： ()??? ? ??--=Dt x erf c c c c s s 20 The same diffusion result means that other variables are the same and D 1t 1=D 2t 2 900℃ 21521?=?D D T? 152900=T D D We know that RT Q D D -=exp 0 RT Q D D -=0ln ln 查表可知： D 0900℃ =s m /10 20.025-? Q 900℃=mol J /10843? D 0>912℃=s m /10 0.225-? Q>912℃=mol J /101403? R=8.314J/mol-K
扩散的微观机制
扩散的微观机制 扩散唯象理论没有考虑扩散原子的本性及扩散介质的结构,而宏观扩散现象是微观上大量原子迁移的统计行为。深入了解扩散本质需要了解扩散的微观机制。固态金属中原子的扩散机制一般与扩散原子在金属晶体中的位置和扩散介质的晶体结构有关。目前已发现并提出的扩散机制主要有空位机制、间隙机制和交换机制等。 一、换位机制 这是一种提出较早的扩散模型，该模型是通过相邻原子间直接调换位置的方式进行扩散的，如图3.7。在纯金属或者置换固溶体中，有两个相邻的原子A和B，见图3.7（a）；这两个原子采取直接互换位置进行迁移，见图3.7（b）；当两个原子相互到达对方的位置后，迁移过程结束，见图3.7（c）。这种换位方式称为2-换位或称直接换位。可以看出，原子在换位过程中，势必要推开周围原子以让出路径，结果引起很大的点阵膨胀畸变，原子按这种方式迁移的能垒太高，可能性不大，到目前为止尚未得到实验的证实。 为了降低原子扩散的能垒，曾考虑有n个原子参与换位，如图3.8。这种换位方式称为n-换位或称环形换位。图3.8（a）和3.8（b）给出了面心立方结构中原子的3-换位和4-换位模型，参与换位的原子是面心原子。图3.8（c）给出了体心立方结构中原子的4-换位模型，它是由两个顶角和两个体心原子构成的换位环。由于环形换位时原子经过的路径呈圆形，对称性比2-换位高，引起的点阵畸变小一些，扩散的能垒有所降低。
图3.7 直接换位扩散模型 图3.8 环形换位扩散模型 （a）面心立方3-换位（b）面心立方4-换位（c）体心立方4-换位应该指出，环形换位机制以及其他扩散机制只有在特定条件下才能发生，一般情况下它们仅仅是下面讲述的间隙扩散和空位扩散的补充。 二、间隙机制 间隙扩散机制适合于间隙固溶体中间隙原子的扩散，这一机制已被大量实验所证实。在间隙固溶体中，尺寸较大的溶剂原子构成了固定的晶体点阵，而尺寸较小的间隙原子处在点阵的间隙中。由于固溶体中间隙数目较多，而间隙原子数量又很少，这就意味着在任何一个间隙原子周围几乎都是间隙位置，这就为间隙原子的扩散提供了必要的结构条件。例如，碳固溶在γ-Fe中形成的奥氏体，当奥氏体达到最大溶解度时，平均每2.5个晶胞也只含有一个碳原子。这样，当
晶态固体中的原子扩散
第一章 晶态固体中的原子扩散 1、简要说明影响溶质原子在晶体中扩散的因素。 2、Ni 板与Ta 板中有0.05mm 厚MgO 板作为阻挡层，1400℃时Ni ＋通过MgO 向Ta 中扩散，此时Ni ＋ 在 MgO 中的扩散系数为D=9×10－12cm 2/s ，Ni 的点阵常数为3.6×10－ 8cm 。问每秒钟通过MgO 阻挡层在2× 2cm 2的面积上扩散的Ni ＋ 数目，并求出要扩散走1mm 厚的Ni 层需要的时间。 3、对含碳0.1％齿轮气体渗碳强化，渗碳气氛含碳1.2％，在齿轮表层下0.2cm 处碳含量为0.45%时齿轮达到最佳性能。已知铁为FCC 结构，C 在Fe 中的D 0＝0.23，激活能Q ＝32900cal/mol ，误差函数如表10－1。 1）试设计最佳渗碳工艺； 2）在渗碳温度不变，在1000℃时渗碳，要将渗碳厚度增加1倍，即要求在其表面下0.4cm 处渗碳后碳含量为0.45%所需渗碳时间。 Dt x 2Dt x 2 4、一块厚度10毫米，含碳量0.77%的钢在强脱碳气氛中加热到800℃，然后缓慢冷却，试指出试样从表面到心部的组织分布。 5、一块用作承载重物的低碳钢板，为提高其表面硬度采用表面渗碳，试分析： 1) 渗碳为什么在γ-Fe 中进行而不在α-Fe 中进行，即渗碳温度选择要高于727ε ，为什么？ 2) 渗碳温度高于1100ε 会出现什么问题？ 6、铜-锌基单相固溶体进行均匀化处理，试讨论如下问题： 1) 在有限时间内能否使枝晶偏析完全消失？ 2) 将此合金均匀化退火前进行冷加工，对均匀化过程是加速还是无影响？说明理由。
7、原子扩散在材料中的应用 8、何谓上坡扩散，举两个实例说明金属中上坡扩散现象。 9、简述固溶体合金的扩散机制
固体中的扩散
第七章固体中的扩散 内容提要 扩散是物质内质点运动的基本方式，当温度高于绝对零度时，任何物系内的质点都在作热运动。当物质内有梯度（化学位、浓度、应力梯度等）存在时，由于热运动而导致质点定向迁移即所谓的扩散。因此，扩散是一种传质过程，宏观上表现出物质的定向迁移。在气体和液体中，物质的传递方式除扩散外还可以通过对流等方式进行；在固体中，扩散往往是物质传递的唯一方式。扩散的本质是质点的无规则运动。晶体中缺陷的产生与复合就是一种宏观上无质点定向迁移的无序扩散。晶体结构的主要特征是其原子或离子的规则排列。然而实际晶体中原子或离子的排列总是或多或少地偏离了严格的周期性。在热起伏的过程中，晶体的某些原子或离子由于振动剧烈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。显然，这些处于间隙位置上的原子或原格点上留下来的空位并不会永久固定下来，它们将可以从热涨落的过程中重新获取能量，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。在日常生活和生产过程中遇到的大气污染、液体渗漏、氧气罐泄漏等现象，则是有梯度存在情况下，气体在气体介质、液体在固体介质中以及气体在固体介质中的定向迁移即扩散过程。由此可见，扩散现象是普遍存在的。 晶体中原子或离子的扩散是固态传质和反应的基础。无机材料制备和使用中很多重要的物理化学过程，如半导体的掺杂、固溶体的形成、金属材料的涂搪或与陶瓷和玻璃材料的封接、耐火材料的侵蚀等都与扩散密切相关，受到扩散过程的控制。通过扩散的研究可以对这些过程进行定量或半定量的计算以及理论分析。无机材料的高温动力学过程——相变、固相反应、烧结等进行的速度与进程亦取决于扩散进行的快慢。并且，无机材料的很多性质，如导电性、导热性等亦直接取决于微观带电粒子或载流子在外场——电场或温度场作用下的迁移行为。因此，研究扩散现象及扩散动力学规律，不仅可以从理论上了解和分析固体的结构、原子的结合状态以及固态相变的机理；而且可以对无机材料制备、加工及应用中的许多动力学过程进行有效控制，具有重要的理论及实际意义。 本章主要介绍固态扩散的宏观规律及其动力学、扩散的微观机构及扩散系数，通过宏观－微观－宏观的渐进循环，认识扩散现象及本质，总结出影响扩散
√√半导体热扩散技术原理
半导体热扩散技术原理 ——杂质原子扩散的机理和浓度分布—— Xie Meng-xian （电子科大，成都市） 在向Si 和GaAs 等半导体内部掺入施主或者受主杂质原子时，最常采用的技术是热扩散（Thermal Diffusion ）和离子注入。对于热扩散技术来说，往往都需要较高的扩散温度；因为施主或受主杂质原子的半径一般都比较大，要它们直接进入到半导体晶格中去是很困难的，然而如果利用高温产生出一些热缺陷，则通过这些热缺陷的帮助即可容易地扩散、并进入到半导体中去。 （1）Fick 定律和杂质浓度分布： 粒子依靠浓度梯度的扩散，是在混乱热运动基础之上的一种定向运动（从高浓度处往低浓度处扩散）。其扩散流密度j 与浓度梯度dN/dx 成正比——Fick 第一定律（一维情况）： d N j D dx =- 式中D 为扩散系数[cm 2/s]。注意，扩散流与粒子的浓度梯度成正比，而与浓度N 的绝对数量无关。 由于扩散流密度不是可直接测量的物理量，故Fick 第一定律的使用不便；于是在此基础之上，再考虑到连续性方程，即引伸出其中变量较容易测量的Fick 第二定律（一维情况，扩散系数D 为常数）： 22 (,)(,) N x t N x t D t x ??=? ?? 求解Fick 第二定律，即可得到粒子浓度随坐标的分布和随时间的变化。 ①对于半导体工艺中的预沉积扩散（恒定表面源扩散），表面杂质浓度N s =常数。这时可求得杂质浓度的分布为余误差函数形式（t>0）： ?? ? ???=Dt x erfc N t x N s 2),( 在预沉积扩散过程中，杂质的总剂量Q T ——单位面积内的杂质数量（单位为cm -2）为： Dt t N dx t x N t Q T ),0(2 ),()(0 π = =?∞ 可见，这时扩散的杂质总剂量将随着时间的平方根而增大。因为扩散深度一般小于1μm ，所以在总剂量为1015cm -2时，即可形成一个高浓度的掺杂层（浓度>1019cm -3）。在扩散分布中的特征参量(Dt)1/2，具有长度的量纲，称为原子的扩散长度。 ②对于半导体工艺中的推进扩散（再分布扩散），这时扩散的杂质总剂量Q T 是一定的。这时可求得杂质浓度的分布为Gauss 分布的形式（t>0）： ??? ? ??-?=Dt x Dt Q t x N T 4exp ),(2π 在推进扩散过程中，表面杂质浓度N s 将随时间的平方根而下降： Dt Q t N N T s π= =),0( 并且在表面（x=0）处，任何时刻都有dN(0,t)/dx=0。
原子扩散习题与答案
第十章原子扩散 本章主要内容： 扩散第一定律 扩散第二定律，第二定律的解及应用实例 柯肯达尔效应 扩散的微观机理：扩散机制，高扩散率通道 扩散热力学：驱动力，反应扩散 影响扩散的因素 扩散的应用实例 1 填空 1 扩散系数的单位是_____________________________________________，扩散系数D的物理意义是__________________________________。 2 上坡扩散是指_______________________________________________，反应扩散是指______________________________________________。 3 扩散系数与温度之间关系的表达式为_____________________________________。 4 三元系的扩散层中不可能出现_____________________混合区。 5 空位扩散需具备的条件是（1）_________________，（2）______________。间隙扩散需具备的条件是_________________________。 6 互扩散系数D______________________________________。 7 置换式固溶体晶内扩散的主要机制是_____________，而间隙固溶体晶内扩散的主要机制是_________________。 8 扩散驱动力_____________________，再结晶驱动力_______________________，晶粒长大驱动力_______________________。 9 扩散第一定律表达式____________________________，扩散第二定律表达式___________________________。 10 扩散通量J的单位是____________________。 2 判断 1 金属的自扩散激活能等于（） A空位形成能和迁移激活能的总和 B 空位的形成能C空位的迁移能 2 晶界扩散比晶内扩散速率（） A 大 B 小 C 相等 3 固溶体中扩散的驱动力是___________。 A温度梯度B组元的浓度梯度C组元的化学势剃度 4 扩散通量J的大小，是指单位时间内通过任何截面的流量。（） 5 氮在奥氏体中溶解度大，表明氮在奥氏体中扩散速度比铁素体中快。（） 6 如图1（AB二元相图），有一合金III ，从T1温度淬火至室温，然后再加热至T2温度时效，在时效时所产生的扩散过程，其( ) A ?2G/?C2>0 B ?2G/?C2=0 C ?2G/?C2<0