表面界面物理第4章§4.2答辩ppt课件.ppt

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1、第4章表面与界面现象§4.2表面扩散与界面扩散2021/8/26表面界面物理第4章§4.22由构成物质的微粒(离子、原子、分子)的热运动而产生的物质迁移现象称为扩散在一个系统中存在有自由能梯度时，发生的物质定向的运动称为扩散扩散的宏观表现是物质的定向输送扩散现象会在气、液、固相中发生主要讨论在固体表面和界面的扩散2021/8/26表面界面物理第4章§4.234.2.0扩散的分类1.顺扩散和逆扩散物质（原子）从浓度高处往低处的定向运动称为顺扩散从浓度低处往高处的运动称为逆扩散2.杂质原子扩散和自扩散杂质原子扩散—外来杂质在基体中的扩散自扩散——基体原子在基体中的扩散202

2、1/8/26表面界面物理第4章§4.243.生成化合物和生成固溶体扩散生成化合物扩散——反应扩散生成固溶体扩散——非反应扩散4.表面扩散、界面扩散和体内扩散5.扩散微观机制空位机制间隙机制复合机制易位机制2021/8/26表面界面物理第4章§4.254.2.1扩散规律和机制1.扩散的宏观规律（扩散方程及其解）(1)Fick方程扩散通量J：单位时间通过垂直于给定方向的单位面积的净原子数，单位：个/m2s稳态扩散非稳态扩散2021/8/26表面界面物理第4章§4.26①稳态扩散——Fick第一定律扩散流通量J正比于扩散原子浓度梯度：D称为扩散系数。D满足：E为每个原子扩散所

3、需激活能Q为每mol原子扩散所需激活能D0为与温度无关的频率因子2021/8/26表面界面物理第4章§4.27xxx+dxJ1=JC(x)C(x+dx)>A1A2②非稳态扩散方程——Fick第二定律由扩散物质的平衡条件求得考虑两个垂直于x轴，相距dx的单位面积A1，A22021/8/26表面界面物理第4章§4.28如果通过A1面的扩散流通量是①则通过A2面的扩散流通量是②由②-①再除以dx得:2021/8/26表面界面物理第4章§4.29为单位时间通过单位面积的原子数目2021/8/26表面界面物理第4章§4.210三维：讨论一维，且D与C无关2021/8/26表面界面

4、物理第4章§4.211C0CdP0Pdx0d(2)Fick方程的解稳定情况下的扩散例：气体在固体中的扩散，P0、Pd恒定，且P0>Pd，t→∞，扩散达稳定J2=J1扩散方程随不同的坐标和不同的边界条件有不同的解2021/8/26表面界面物理第4章§4.212解:非稳态的扩散(i)恒定表面源的扩散2021/8/26表面界面物理第4章§4.213此边界条件下的解是:(ii)恒定表面浓度的扩散边界条件2021/8/26表面界面物理第4章§4.214解扩散方程得：2021/8/26表面界面物理第4章§4.215为高斯误差函数2021/8/26表面界面物理第4章§4.216，是

5、表面浓度的1/2称为原子在时间t内的扩散深度。显然，扩散系数越大，扩散时间越长，则扩散深度x越大2021/8/26表面界面物理第4章§4.2172.扩散的微观机制（1）间隙机制间隙扩散是原子在点阵的间隙位置间跃迁而导致的扩散间隙原子可以是由于形成填隙式固溶体而存在原子进入填隙位置后只要能量足够，就可“挤”到另一个填隙位置，去完成一个扩散过程填隙原子一般都比固有原子较小（通常会小20％或更多），扩散速率比较快2021/8/26表面界面物理第4章§4.218填隙原子有以下一些类型2021/8/26表面界面物理第4章§4.219（2）空位机制原子前面出现空位时，有可能进入空位

6、改变它的位置，如图所示需要一定的激活能，等待前面又出现了空位后，它才有可能再移动一步这就是原子扩散的空位机理2021/8/26表面界面物理第4章§4.220每个原子在跃进空位的过程中，并不引起它所经路途附近的原子产生很大的位移因此消耗的畸变能不大，容易扩散许多材料中原子实际上是通过空位运动进行扩散的2021/8/26表面界面物理第4章§4.221（3）交换机制原子的扩散是相邻两原子直接对调位置交换原子附近的晶格会发生强烈的畸变扩散所需的激活能很大，这种机制曾被认为不可能发生2021/8/26表面界面物理第4章§4.222米里亚（M.F.Millea）用这种机制来合理地解

7、释了金在锗中的扩散首先是替代金原子被激发进入间隙位置，并在那里停留着，并和所形成的空位构成填隙原子-空位对空位近邻的锗原子进入空位然后间隙金原子进入后来所形成的空位（锗原子留下来的),交换过程完成这个模型还被用来描述某些金属系统，尤其是Pb-Cd和Pb-Hg系统中的快扩散2021/8/26表面界面物理第4章§4.223（4）环形机制环形机制由曾讷首先提出他认为在同一晶面上距离相等的n个原子可以同时轮换位置以构成扩散2021/8/26表面界面物理第4章§4.224交换机制、间隙机制和空位机制是三个最基本的机制其它的机制都是它们的推广讨论扩散