无机材料科学基础第八章扩散

第7章扩散
一、名词解释
1．扩散：
2．扩散系数与扩散通量：
3．本征扩散与非本征扩散：
4．自扩散与互扩散：
5．稳定扩散与不稳定扩散：
名词解释答案：
一、扩散是指在梯度的作用下，由于热运动而使粒子定向移动的过程
二、扩散通量：单位时间内通过单位面积粒子的数目
扩散系数：单位浓度梯度下的扩散同俩个
三、本征扩散：由热缺陷所引起的扩散
非本征扩散：由于杂质粒子的电引入而引起的扩散
四、自扩散：原子或粒子在本身结构中的扩散
互扩散：两种的扩散通量大小相等，方向相反的扩散
五、稳定扩散：单位时间内通过单位面积的粒子数一定
不稳定扩散：单位面积内通过单位面积的粒子数不一定
二、填空与选择
1.晶体中质点的扩散迁移方式有：、、、和。

2．当扩散系数的热力学因子为时，称为逆扩散。

此类扩散的特征
为，其扩散结果为使或。

3．扩散推动力是。

晶体中原子或离子的迁移机制主要分为两种：和。

4．恒定源条件下，820℃时钢经1小时的渗碳，可得到一定厚度的表面碳层，同样条件下，要得到两倍厚度的渗碳层需小时.
5．本征扩散是由而引起的质点迁移，本征扩散的活化能由和两部分组成，扩散系数与温度的关系式为。

6．菲克第一定律适用于，其数学表达式为；菲克第二定律适用于，其数学表达式为。

7．在离子型材料中，影响扩散的缺陷来自两个方面：（1）肖特基缺陷和弗仑克尔缺陷（热缺陷），（2）掺杂点缺陷。

由热缺陷所引起的扩散称，而掺杂点缺陷引起的扩散称为。

（自扩散、互扩散、无序扩散、非本征扩散）
8．在通过玻璃转变区域时，急冷的玻璃中网络变体的扩散系数，一般相同组成但充
分退火的玻璃中的扩散系数。

（高于、低于、等于）
9．在UO 2晶体中，O 2－的扩散是按 机制进行的。

（空位、间隙、掺杂点缺陷）
填空题答案：
1、易位扩散、环形扩散、空位扩散、间隙扩散、准间隙扩散
2、1+（δln γi ）/（δlnNi ）＜0、由低浓度向高浓度扩散、偏聚、分相
3、化学位梯度、空位机制、间隙机制
4、4
5、热缺陷、空位形成能、空位迁移能、）（RT Q D D -=e
0 6、稳定扩散 、 x C D J ∂∂-= 、不稳定扩散、22x C D t
C ∂∂=∂∂ 7、本征扩散、非本征扩散
8、高于
9、间隙
四、试分析离子晶体中，阴离子扩散系数－般都小于阳离子扩散系数的原因。

阴离子通常作为堆积结构的基础，而阳离子通常填充于空隙之中，阳离子扩散相对较容易，而阴离子若要扩散则需要破坏堆积结构，所需要的能量更多，故阴离子扩散系数－般都小于阳离子扩散系数
六、碳、氮、氢在体心立方铁中扩散的激活能分别为84、75和13kJ/mol ，试对此差异进行分析和解释。

C-N-O 的半径依次减小，C-N-O 在间隙中扩散的能力逐渐增加，故扩散的激活能越低
七、MgO 、CaO 、FeO 均具有NaCl 结构，在各晶体中，它们的阳离子扩散活化能分别为：Na +在NaCl 中为41kcal/mol ，Mg 2+在MgO 中为83 kcal/mol ，Ca 2+在CaO 中为77 kcal/mol ，Fe 3+在FeO 中为23 kcal/mol ，试解释这种差异的原因。

1、由于FeO 为非化学计量型氧化物故扩散活化能较低
2、NaCl 中的Na 离子电价较低，故NaCl 扩散活化能相对较低
3、Ca 的半径比Mg 离子的半径大，故MgO 的扩散活化能高
八、已知氢和镍在面心立方铁中的扩散系数为：
s cm RT D H 218.410300exp 0063.0⎪⎭
⎫ ⎝⎛⨯-=和s cm RT D Ni 218.464000exp 1.4⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯-=，试计算1000℃
的扩散系数，并对其差别进行解释。

4-210115.1273
314.818.410300exp 0063.018.410300exp 0063.0⨯=⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯-=⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯-=s cm RT D H
11-21033.415.1273
314.818.464000exp 1.418.464000exp 1.4⨯=⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯-=⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯-=s cm RT D Ni
其中H 的离子半径明显小于Ni 的半径，故前者更容易扩散，其扩散系数也就越高
九、假定碳在α-Fe （体心立方）和γ-Fe （面心立方）中的扩散系数分别为：
()cm RT D 283600exp 0079.0-=α；()cm RT D 2141284exp 21.0-=γ，计算800℃
时各自的扩散系数，并解释其差别。

()cm RT D 283600exp 0079.0-=α=6.7×10-7
()cm RT D 2141284exp 21.0-=γ=2.8×10-8
α-Fe （体心立方）和γ-Fe （面心立方）相比结构更疏松，粒子在其中更容易扩散、故扩散系数越大
十、在制造硅半导体器体中，常使硼扩散到硅单品中，若在1600K 温度下．保持硼在硅单品表面的浓度恒定(恒定源半无限扩散)，要求距表面10-3cm 深度处硼的浓度是表面浓度的一半，问需要多长时间（已知D 1600℃=8×10-12cm 2/sec ；当5.02==
Dt x erf 时，5.02≈Dt x
）？
s 125000t ;5.010×82105.0010;05.010;01012-3-===--==--t
C C C C C C C C C C C ；起初无浓度，故
十一、Zn 2+在ZnS 中扩散时，563℃时的扩散系数为3×10-14cm 2/sec;450℃时的扩散系数为1.0×10-14cm 2/sec ，求：（a ）扩散的活化能和D 0；（b ）750℃时的扩散系数；（c ）根据你对结构的了解，请从运动的观点和缺陷的产生来推断活化能的含义；（d ）根据ZnS 和ZnO 相互类似，预测D 随硫的分压而变化的关系。

13
-15.10238.31448827-11-11
-015.2378.314Q -014-836.158.314Q -014-RT
Q -0101.1e 104.3104.3;48827e 101e 10
×3e ⨯=⨯=⨯===⨯==⨯⨯⨯）（）（）（）（D D Q D D D D
十二、欲使Ca 2＋
在CaO 中的扩散直至CaO 的熔点（2600℃）都是非本征扩散，要求三价杂质离子有什么样的浓度？试对你在计算中所作的各种特性值的估计作充分说明（已知CaO 肖特基缺陷形成能为6eV ）。

6-6-''a 6
-23
19-''''a a 10
2.7106.322106.315.2873314.82102
3.6101.66-exp 3232⨯=⨯⨯===⨯=⨯⨯⨯⨯⨯⨯=++−−→−∙∙Ca C Ca Ca
O C O C V M M V V O M O M ）（。