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2017年12月13日 星期三

丁酉(鸡)年十月廿六

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  扩散是一种由微粒的热运动所引起的物质输运过程,可以由一种或多种物质在气、液或固体的同一相内或不同相间进行。在固体中,扩散粒子可以是杂质原子或离子,也可以是基质原子(自扩散)。扩散主要由浓度梯度或温度梯度引起,而以前者较为常见,一般从浓度较高处向较低处扩散(在普遍的情况下,决定扩散的基本因素是化学势),直到相内各部分的浓度达到均匀或两相间的浓度达到平衡为止。扩散速度在气体中最大,液体中次之,固体中最小。
  扩散的宏观规律由斐克定律表述:在扩散粒子浓度不太大的情况下,在单位时间内,通过单位面积的扩散粒子的量(扩散流密度)J,正比于浓度n的梯度:

固体中的扩散

D为扩散系数,单位是厘米2/秒。上式称为斐克第一定律。
  在分析实验时,往往n是随时间变化的,所以是非稳定扩散。通常取上式的散度并与连续性方程结合起来,如果D和浓度无关,得到

固体中的扩散

称为斐克第二定律。
  扩散现象密切依赖于温度。在一定温度范围内,扩散系数和温度的经验关系式为

固体中的扩散

式中Do是常数,称为频率因子;Q是有关的扩散过程中的激活能。
  在各向异性的晶体中,扩散系数也可能是各向异性的。
  固体中扩散的微观机制可以概括为三种(见图):①填隙原子机制,②空位机制,③交换机制。不同情况下,扩散主要采取那一种方式,是可以不同的。实验表明,如果杂质原子的半径比基质原子小得多,则总是以填隙方式存在于晶体中,并依靠热涨落在间隙之间跳跃构成填隙式扩散,扩散系数较大。对于替代式原子(基质原子、替代式固溶体中的溶质原子),一般认为,最常见的是空位式扩散。交换式扩散涉及一些原子的合作运动,在一般情况下,可能性很小。

固体中的扩散

  扩散系数对位错晶粒间界晶体缺陷的存在十分敏感。在离子晶体中,扩散是与离子导电性紧密相联系的。晶体中含有的其他杂质,也会影响粒子的扩散行为。
  研究扩散的实验方法可以分为化学方法、物理方法和金相方法三大类。放射性示踪原子属物理方法,是多年来最基本的实验方法。
  扩散现象对于固体在生产技术中的应用有很广泛的影响。金属材料的许多问题,如相变过程、氧化过程、烧结过程以及蠕变、内耗、多边形化等都与扩散有关。在半导体器件制造中,扩散已被发展成为一种重要的工艺技术。例如,在晶体管和集成电路制造中,磷、硼等杂质在硅中的扩散得到广泛的应用。扩散现象的研究也促进了对固体的原子结构和固体中原子微观运动的深入了解。

固体中的扩散

  参考书目
 W. Jost,Diffusion in Solids,Liquids and Gases,Academic Press, New York, 1952.
 W.Seith,Diffusion in Metallen,Springer-Verlag,Berlin, 1955.
 Б.И.鲍尔塔克斯著,薛士蓥译:《半导体中的扩散》,科学出版社,北京,1964。

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更新时间 : 2009-01-30

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