固体化学-_固体中的扩散.ppt

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1、一、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杂质原子、基质原子或缺陷的物质输运过程。第一节绪言第五章固体中的扩散1从热力学的角度看，只有在绝对零度下才没有扩散。通常情况下，对于任何物质来说，不论是处于哪种聚集态，均能观察到扩散现象：如气体分子的运动和液体中的布朗运动都是明显的扩散现象。2在固体中，也会发生原子的输运和不断混合的过程。但是，固体中原子的扩散要比气体或液体中慢得多。这主要是由于固体中原子之间有一定的结构和很大的内聚力的原故。尽管如此，只要固体中的原子

2、或离子分布不均匀，存在着浓度梯度，就会产生使浓度趋向于均匀的定向扩散。31、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，从而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；二、晶格中原子或离子的扩散过程42、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。5在固体器件的制作过程中，利用扩散作用，并不需要将晶体熔融，便可以把某种过量的组分掺到晶体中去，或者在晶体表面生

3、长另一种晶体。6三、固体中扩散的研究内容1、是对扩散表象学的认识，即对扩散的宏观现象的研究，如对物质的流动和浓度的变化进行实验的测定和理论分析，利用所得到的物质输运过程的经验和表象的规律，定量地讨论固相反应的过程；72、是对扩散的微观机理的认识，把扩散与晶体内原子和缺陷运动联系起来，建立某些扩散机理的模型。8第二节固体中扩散机理及扩散系数一、扩散的基本特点①流体中的扩散②固体中的扩散③晶体中原子的扩散9质点的迁移完全、随机地朝三维空间的任意方向发生，每一步迁移的自由行程也随机地决定于该方向上最邻近

4、质点的距离。扩散质点的无规行走轨迹①流体中的扩散10流体的质点密度越低（如在气体中），质点迁移的自由程也就越大。因此发生在流体中的扩散传质过程往往总是具有很大的速率和完全的各向同性。11Ａ、固体中明显的质点扩散常开始于较高的温度，但低于固体的熔点。原因：构成固体的所有质点均束缚在三维周期性势阱中，质点之间的相互作用强，故质点的每一步迁移必须从热涨落或外场中获取足够的能量以克服势阱的能量。②固体中的扩散12Ｂ、固体中的质点扩散往往具有各向异性和扩散速率低的特点。原因：固体中原子或离子迁移的方向和自由

5、行程受到结构中质点排列方式的限制，依一定方式所堆积成的结构将以一定的对称性和周期性限制着质点每一步迁移的方向和自由行程。13如右图所示，处于平面点阵内间隙位的原子，只存在四个等同的迁移方向，每一迁移的发生均需获取高于能垒△G的能量，迁移自由程则相当于晶格常数大小。间隙原子扩散势场示意图14在晶体中，由于晶格点阵的热振动，点缺陷一直是在运动中，这种与周围原子处于平衡状态的无规则行走称作自扩散。有杂质原子参加的扩散，叫做杂质扩散。晶体内点缺陷的运动，叫做体扩散。③晶体中原子的扩散15在多晶中，原子的扩

6、散不仅限于体扩散，而且还包含有物质沿晶面、位错以及晶粒间界的输运。当晶粒增大或者温度升高时，体扩散要比晶粒间界扩散更为重要。16固体中的原子之间的跃迁实质上是一种原子活化过程，它主要包括以下三个过程。①平衡位置原子的振动②原子在格位上的迁移③原子在新平衡位置的振动二、扩散的机理17在固体中，原子、分子或离子排列的紧密程度较高，它们被晶体势场束缚在一个极小的区间内，在其平衡位置的附近振动，具有均方根的振幅，振幅的数值决定于温度和晶体的特征。①平衡位置原子的振动18振动着的原子相互交换着能量，偶尔某个

7、原子或分子可能获得高于平均值的能量，因而有可能脱离其格点位置而跃迁到相邻的空位上去。②原子在格位上的迁移19在新格位上，跃迁的原子又被势能陷阱束缚住，进而又开始在新平衡位置中振动。直到再发生下一次的跃迁。③原子在新平衡位置的振动20在实际晶体中，由于存在着各种各样的缺陷，故扩散可以很容易地通过点缺陷，沿着位错、晶粒间界、微晶的表面而进行。21通常情况下，扩散机理可分为三种：(1)、间隙扩散机理(2)、空位扩散机理(3)、环形扩散机理22处于间隙位置的质点从一间隙位移入另一邻近间隙位，必然引起质点周

8、围晶格的变形。（1）间隙扩散机理23间隙扩散机理分为三种形式:①直接间隙扩散②间接直线间隙扩散③间接非直线间隙扩散。24例如，在某些固溶体中,杂质原子的扩散可在晶格间隙的位置之间运动。①直接间隙扩散25处于间隙位置的杂质原子可以从一个间隙直接跳到相邻的另一个间隙位置上，如下图(a)所示:26处于间隙位置的杂质原子把相邻的基质原子以直线的方向推开到间隙位置，取而代之地占据格位的位置，如图（b）所示：②间接直线间隙扩散27处于间隙位置的杂质原子把相邻的基质原子以曲线的方式推开到间隙，取