20.2 扩散(精品).ppt

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1、20.2 扩散扩散第第 20 章章 点缺陷点缺陷固体固体物理物理导论导论斐克定律斐克定律 (Ficks law)当固体中出现杂质原子或空位的浓度梯度时，杂质原当固体中出现杂质原子或空位的浓度梯度时，杂质原子或空位通过晶体而流动。平衡态下，杂质或空位的分布子或空位通过晶体而流动。平衡态下，杂质或空位的分布是均匀的。斐克定律：是均匀的。斐克定律：固体中某一种原子的净通量（流密度），固体中某一种原子的净通量（流密度），即单位时间内通过单位面积的原子数即单位时间内通过单位面积的原子数D:扩散常数或扩散率扩散常数或扩散率N:浓度浓度 N 的梯度的梯度 这个扩散定律的形式常常是适用的；但严格讲扩散的这个扩

2、散定律的形式常常是适用的；但严格讲扩散的驱动力是化学势梯度，而非单纯的浓度梯度驱动力是化学势梯度，而非单纯的浓度梯度120.2 扩散扩散第第 20 章章 点缺陷点缺陷固体固体物理物理导论导论绕一个中点的旋转换位绕一个中点的旋转换位扩散的三种基本机制扩散的三种基本机制 通过间隙位置迁徙通过间隙位置迁徙同时发生旋转的同时发生旋转的可多于两个原子可多于两个原子原子与空位交换位置原子与空位交换位置220.2 扩散扩散第第 20 章章 点缺陷点缺陷固体固体物理物理导论导论 扩散常数随温度的变化规律扩散常数随温度的变化规律E 代表过程的激活能代表过程的激活能碳在铁中的碳在铁中的扩散系数扩散系数320.2

3、扩散扩散第第 20 章章 点缺陷点缺陷固体固体物理物理导论导论 为了进行扩散，原子必须克服由近邻原子所产生的势为了进行扩散，原子必须克服由近邻原子所产生的势垒。考虑间隙位置上杂质原子的扩散垒。考虑间隙位置上杂质原子的扩散(对于空位扩散，结对于空位扩散，结果仍适用果仍适用)如果势垒的高度为如果势垒的高度为 E，则原子仅在比例为，则原子仅在比例为的那部分时间内具有足够的热能越过势垒。量子隧穿是另的那部分时间内具有足够的热能越过势垒。量子隧穿是另一种可能的过程，但一般只有对轻的核才是显著的一种可能的过程，但一般只有对轻的核才是显著的 在在 1s 内的某时刻原子具有足够热能越过势垒的概率内的某时刻原子

4、具有足够热能越过势垒的概率n：原子的特征振动频率：原子的特征振动频率称为称为跳迁频率跳迁频率420.2 扩散扩散第第 20 章章 点缺陷点缺陷固体固体物理物理导论导论 1s 内由一平面越至第二平面的净原子数约为内由一平面越至第二平面的净原子数约为 考虑处在间隙位置上的杂质原子所构成的两平行平面，考虑处在间隙位置上的杂质原子所构成的两平行平面，其间距等于晶格常量其间距等于晶格常量 a 若杂质原子的总浓度为若杂质原子的总浓度为 N，则一个，则一个平面内单位面积上的平面内单位面积上的 s=aN平面内的杂质原子数平面内的杂质原子数 这样，扩散通量为这样，扩散通量为 520.2 扩散扩散第第 20 章章

5、 点缺陷点缺陷固体固体物理物理导论导论求得离子迁移率和电导率求得离子迁移率和电导率 若杂质带有电荷，则可利用若杂质带有电荷，则可利用爱因斯坦关系爱因斯坦关系 在某个当空位的数目由二价金属离子的数目决定的温在某个当空位的数目由二价金属离子的数目决定的温度范围内空位的比例分数不依赖于温度，这样度范围内空位的比例分数不依赖于温度，这样 lns-1/kBT 曲线的斜率即给出正离子空位跳迁的激活能曲线的斜率即给出正离子空位跳迁的激活能 E+620.2 扩散扩散第第 20 章章 点缺陷点缺陷固体固体物理物理导论导论 在低温下扩散极其缓慢。在缺陷浓度由热产生所决定在低温下扩散极其缓慢。在缺陷浓度由热产生所决定的温度范围内，空位的比例分数的温度范围内，空位的比例分数可知可知 lns-1/kBT 曲线的斜率表示曲线的斜率表示 Ef：空位对的生成能：空位对的生成能这样由电导率这样由电导率 由不同温度范围内所作的测量，可定出空位对生成能由不同温度范围内所作的测量，可定出空位对生成能 Ef 和跳迁激活能和跳迁激活能 E+720.2 扩散扩散第第 20 章章 点缺陷点缺陷固体固体物理物理导论导论20.2.1 金属金属 单原子金属中的自扩散最通常是借助单原子金属中的自扩散最通常是借助于晶格空位进行于晶格空位进行 自扩散指金属原子本身的扩散，而非自扩散指金属原子本身的扩散，而非杂质原子的扩散杂质原子的扩散8