第七章固体中的扩散讲课演示文稿.ppt

四、温度与杂质的影响 图8－11给出了一些常见氧化物中参与构成氧化物的阳离子或阴离子的扩散系数随温度的变化关系。 应该指出，对于大多数实用晶体材料，由于其或多或少地含有一定量的杂质以及具有一定的热历史，因而温度对其扩散系数的影响往往不完全象图所示的那样，1nD～1／T间均成直线关系，而可能出现曲线或者不同温度区间出现不同斜率的直线段。这一差别主要是由于活化能随温度变化所引起的。 图8－11 扩散系数与温度的关系 利用杂质对扩散的影响是人们改善扩散的主要途径。一般而言，高价阳离子的引入可造成晶格中出现阳离子空位和造成晶格畸变，从而使阳离子扩散系数增大。且当杂质含量增加，非本征扩散与本征扩散温度转折点升高. 反之，若杂质原子与结构中部分空位发生缔合，往往会使结构中总空位增加而有利于扩散。 本章小结： 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，由于热运动而触发(导致)的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惟一方式。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。 本章完 第二种恒定量扩散边界条件： 图6-6 定量扩散质Q由晶体表面（x=0）向内部扩散过程 [例8-5] 扩散系数的测定 将放射性的Au*涂覆在两根金棒之间，然后将它们加热到920 ℃，保温100h。 示踪剂Au*沿棒的浓度分布数据 -2.81 81x10-8 0.06 9x10-4 -1.27 36x10-8 0.28 6x10-4 -0.328 9x10-8 0.72 3x10-4 0 0 1 0 lnc x2 C x (m) 斜率 第二节 扩散的推动力、微观机制和扩散系数 一、扩散的推动力 当不存在外场时，晶体中粒子的迁移完全是由于热振动引起的。只有在外场作用下，这种粒子的迁移才能形成定向的扩散流。也就是说，形成定向扩散流必需要有推动力，这种推动力通常是由浓度梯度提供的。 但应指出，在更普遍情况下，扩散推动力应是系统的化学位梯度； 二、扩散的微观机制 晶体中质点迁移方式： 图8-4 晶体中质点的扩散结构 (a)空位 (b)间隙 (c)亚间隙 (d)直接易位 (e)环易位 讨论：1.易位扩散所需的活化能最大。2.由于处于晶格位置的离子势能最低，在间隙位置和空位处势能较高：故空位扩散所需活化能最小．因而空位扩散是最常见的扩散机理，其次是间隙扩散。 (a)空位 (b)间隙 (c)亚间隙 (d)直接易位 (e)环易位 讨论：在以上各种扩散中，1.易位扩散所需的活化能最大。2.由于处于晶格位置的粒子势能最低，在间隙位置和空位处势能较高(见图)：故空位扩散所需活化能最小．因而空位扩散是最常见的扩散机理，其次是间隙扩散和准间隙扩散。 三、扩散系数 1905年，爱因斯坦在研究大量质点无规则布朗运动的过程中，用统计的方法得到扩散方程。得出宏观扩散系数与扩散质点的微观运动的关系： 扩散系数的物理意义：在固体介质中，作无规则布朗运动的大量质点的扩散系数决定于质点的有效跃迁频率和迁移自由程r平方的乘积 三、扩散系数 空位结构扩散系数: r为空位与邻近结点原子的距离; r与晶胞参数a0成正比 r=Ka0 f由质点成功跃迁过能垒Δ GM的次数ν以及该原子周围出现空位的几率Nv的乘积所决定 f=A Nv ν 比例系数 质点成功跃迁过能垒Δ GM的次数ν可用绝对反应速度理论求得为: 所以: 上式中νo为原子在晶格平衡位置上的振动频率，ΔGm、ΔSm、ΔHm分别为原子从平衡状态到活化状态的自由能、熵和焓的变化。   考虑到实际晶体中总或多或少的含有一定量杂质存在,所以在晶体中除了热缺陷引入晶体中空位以外,由于杂质离子固溶也可引入空位: 如: 这样存在于体系中的空位浓度(Nν)就包含有由温度所决定的本征缺陷浓度(Nν’)和由杂质浓度所决定的非本征缺陷浓度(NI)两个部分, Nν= Nν’+ NI ，得： 当温度足够低时，由温度所决定的热缺陷浓度(本征缺陷浓度)(Nν’)大大降低，它与杂质缺陷浓度(非本征缺陷浓度)(NI)相比，可以近似忽略不计，即Nν’ NI 其中: 此时的扩散系数叫非本征扩散系数。 频率因子 扩散活化能 当温度足够高时，由温度所决定的本征缺陷浓度(Nν’)很大，杂质缺陷浓度(NI)与它相比，可以近似忽略不计，即 Nν’ NI，有： 其中: 此时的扩散系数 叫本征扩散系数。 扩散系数通式为: lnD＝-Q／RT