第七章固体中的扩散二.ppt

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1、2010-10-16P.1无机材料化学研究对象：从传统硅酸盐转向先进陶瓷材料研究内容：（材料设计、合成、制备）、（组成、结构）、（性能、评价）、（应用）扩散以硅片中氧控制说明扩散及其意义Fick第一、二定律：概念、含义（特别是第二定律）重点在应用：稳定态，不稳定态（限定源、恒定源）限定源：高斯解恒定源：误差函数解（给定浓度情况，x和t的关系）要求课后：多看参考书、关心前沿研究动向国重室（上硅所、清华、武汉理工），中材、JFCC,Toshiba等上一课复习2010-10-16P.2菲克第二定律的物理意义：某一点浓度随时间的

2、变化率与浓度曲线在该点的二阶导数成正比。浓度凸出来的区域（二阶导数<0）随时间变化，浓度降低；浓度凹的区域（二阶导数>0）随时间变化，浓度增大；不均匀体系变均匀。张志杰主编.材料物理化学.P2312010-10-16P.3高斯分布方程表达式：B表示浓度分布的宽度，它随时间t按增加；增幅A随t衰减。Cxt=0田宝顺等编著.无机材料化学.P50菲克第二定律求解：常见的情况1、限定源情况：放射性示踪涂抹的示踪扩散、硼涂抹在硅片表面的硼的扩散高斯解2010-10-16P.42、恒定源情况：硅片在含硼或磷气氛加热掺杂；钠钙硅酸盐玻

3、璃在硝酸钾熔盐中的化学钢化。误差函数解Cxt=0C0Cxt3C0Cat2t1x1x2x3假如x1=1微米，t1=1小时x2=2微米，t1=?小时x3=5微米，t1=?小时C一定值时，为一定值。2010-10-16P.5扩散系数的测定1、限定源情况：放射性示踪涂抹的示踪扩散、硼涂抹在硅片表面的硼的扩散在一块均匀长金属镍棒的一侧表面上沉积一薄层放射性金属镍，经过一段时间恒温的热处理，用放射性检测器来测量金属镍块中放射性镍沿X方向的分布。高斯解：取对数：将lgc对x2作图，得一直线。根据直线的斜率和截距可以求出镍的自扩散系数。

4、(金格瑞等著.陶瓷导论.P226)2010-10-16P.62、恒定源情况：硅片在含硼或磷气氛加热掺杂；钠钙硅酸盐玻璃在硝酸钾熔盐中的化学钢化。误差函数解C0、C(x,t)已知，可查数学误差函数表，求出，D可解。2010-10-16P.7恒定源求解扩散系数举例可求出实验温度下的D可求出任意温度下的D2010-10-16P.8§7.3扩散活化能和扩散系数微观尺度：原子从一个位置到另一个位置的能量变化实验推断，势垒△ε为10-19J的数量级。但即使在1273K的高温，原子的平均振动能也只有10-20J数量级。因此，原子的跳

5、跃必须靠着偶然性的统计涨落而获得大于势垒△ε的能量时才能实现。原子跃迁是一种活化过程。势垒(记作△ε，代表一个原子或一个间隙原子跃迁时所需的能量)2010-10-16P.9获得大于△ε的能量的涨落几率可以写成指数形式e-△ε/KT。（就是它的物理意义）扩散系数D应与此成正比。也应具有指数形式。D与温度的关系可表示为：△G具有能量/摩尔的量纲，叫做扩散的活化能，相当于上述一摩尔的原子或间隙原子在跃迁时克服晶格中势垒所需要的能量。大量的实验结果证明：温度愈高，扩散现象愈显著；活化能愈小，扩散系数愈大。（思考：Si、SiO2、

6、SiC，活化能最大？）当研究同一晶体的离子迁移率时，发现纯离子的电导率与温度之间的关系也表现为阿累尼乌斯(Arrhenius)型的方程：△G为活化能，与上述扩散活化能相等。表明固体中的扩散的确是通过原子在晶格势垒间的跃迁来进行的。2010-10-16P.10D与温度、活化能的关系：取对数：将lnD对1/T作图，得到一直线，从直线的斜率可以求得活化能△G。小总结：重点：D与温度、扩散活化能的关系，及其反应的信息：扩散活化能△G:不同扩散机理，不同的扩散活化能，直接影响扩散系数。2010-10-16P.11§7.4扩散机构

7、和扩散系数7.4.1晶体中原子的迁移方式同一温度下，迁移方式不同，扩散活化能不同，扩散系数差别很大。原子扩散机制(a)易位；(b)环转位；(c)填隙；(d)空位；(e)推填式活化能很大，不易发生从能量上比较，原子最常见、最易进行的迁移是，空位扩散。在绝对零度以上时，每种晶体中都有空位，原子从正常位置跳入空位所需要的能量较低。这种迁移方式的扩散速率取决于原子移动的难易，同时也取决于空位的浓度。（核心：△G包括的内容）2010-10-16P.12先不考虑具体的扩散机构，介绍一种最简单的情况：无序扩散及其扩散系数，然后讨论二

8、种常见的扩散机构：空位扩散和间隙扩散及其扩散系数，再研究属于空位扩散机构的几种不同情况：自扩散、示踪原子扩散和互扩散，以及这三种不同的扩散系数1、宏观的扩散系数与微观的质点运动的关系2、无序：找出一般关系2010-10-16P.137.4.2无序扩散机构和无序扩散系数所谓无序扩散有以下几个特点：这种扩散没有外场推动，