Механізмидифузії
Сторінки роботи
зміст роботи
Механізми дифузії різні і залежать від типу кристалічних ґрат, виду хімічних зв'язків, природи дифузних атомів, температури і, головним чином, наявності дефектів кристалічної структури, які поділяються на:
первинні дефекти –термічні (фонони), електричні (електрони на збуджених рівнях та дірки);
дефекти решітки(атомні дефекти)–точкові (вакансії міжвузельні атоми, домішкові атоми впровадження або заміщення), а також лінійні (дислокації) ;
двовимірні дефекти –межі зерен, фаз, дефекти упаковки.
При досить високій температурі в металах і напівпровідниках основне значення мають атомні дефекти і, особливо, точкові, а також можливі їх асоціації: бівакансія і тривакансії, спарені міжвузля, різного роду комплекси типу"вакансія - атом домішки"і т. д.
При низьких температурах основну роль грає дифузія з дислокацій та двовимірних дефектів.
Типові точкові дефекти представлені на нижченаведених малюнках.
Вакансійний точковий дефект: 1–власний атом у вузлі кристалічних ґрат; 2–вакансія
Бівакансійний точковий дефект: 1–власний атом у вузлі кристалічних ґрат; 2–бівакансія
Власний міжвузельний дефект: 1–власний атом у вузлі кристалічних ґрат; 2–власний атом у міжвузлі
Домішковий дефект заміщення: 1–власний атом у вузлі кристалічних ґрат; 2–домішковий атом у вузлі кристалічних ґрат
Домішковий дефект застосування: 1–власний атом у вузлі кристалічних ґрат; 2–домішковий атом у міжвузлі
Відповідно до природи точкових дефектів розрізняють такі механізми дифузії:
простий обмінний–реалізується шляхом прямого обміну місцями двох сусідніх атомів. Реалізація цього механізму можлива тільки при сильних спотвореннях решітки, що вимагає високої енергії активації. Тому він малоймовірний у щільно запакованих структурах. У той же час цей механізм цілком можливий у кристалах із пухким упакуванням атомів. Простий обмінний механізм має більшу енергію активації (3-4) еВ, оскільки супроводжується значними спотвореннями кристалічних ґрат.
кільцевий (циклічний)–реалізується шляхом узгодженого руху трьох і більше атомів, що утворюють плоске кільце.
міжвузоловий механізм–реалізується шляхом переходу мігруючого атома (як правило, домішкового) з одного положення до іншого, без його локалізації у вузлах кристалічної грати.
Міжвузельний механізм дифузії має місце в недосконалих кристалах, коли атоми розчиненої речовини
Досить легко він реалізується у твердих розчинах впровадження, що складаються з основної решітки, у міжвузлях якої розміщуються атоми меншого розміру. У цьому випадку для здійснення дифузійного стрибка необхідні лише незначні спотворення решітки і, відповідно, невелика енергія активації.
естафетний механізм–є механізмом непрямого переміщення міжвузлової конфігурації. Даний механізм реалізується в тих випадках, коли міжвузельний атом близький за величиною до атомів решітки. На відміну від попереднього, атом не рухається безпосередньо до іншого міжвузля. Він переміщається по номалі до вузла решітки, виштовхуючи атом, що знаходиться в цьому вузлі, в сусіднє міжвузля. Таким чином, при спільному русі двох атомів відбувається переміщення міжвузлової конфігурації.
краудіонний
Під краудіоном розуміють ущільнений ланцюжок атомів, розташованих уздовж напрямку з максимальною щільною упаковкою.У краудіоні надлишковий атом поміщений в щільноупакований ряд атомів. Ланцюжок з n + 1 атомів зменшується на відрізку, де в нормальному стан розташовується 12>n частинок. ПриПри цьому зайвий атом як би "розмазується" на цьому відрізку. Міжвузоловий атом, розташований посередині між двома вузлами грат, переміщається до одного з них, зміщуючи атом, розташований у вузлі. Витіснений атом стає міжвузеловим і займає проміжне положення у ґратах.
Таким чином, кожен атом краудіонного ряду зміщений на деяку відстань від рівноважного положення у ґратах. Загалом, краудіонна конфігурація відноситься до міжвузлової, і може переміщуватися переміщатися вздовж цього ряду.
Енергія активації краудіонного механізму відносно мала. Він найчастіше має місце при локальних деформаціях решітки під дією зовнішніх сил, а також при відпалі радіаційних дефектів.
вакансіонний механізм–домішковий або власний атом мігрує на місце вакансії, звільняючи своє місце у вузлі кристалічних ґрат.
В даний час загальноприйнято вважати, що основним механізмом дифузії в чистих металах, напівпровідниках і твердих розчинах заміщення є вакансійний механізм. При температурі, відмінній від нуля градусів Кельвіна, будь-яке тверде тіло містить певну кількість дефектів кристалічних ґрат у вигляді вакансій або бівакансія.
Атоми, що знаходяться у нормальних вузлах, можуть стрибком займати сусіднє вакантне місце. При цьому вакансія займе місце дифузного атома. Багаторазове повторення цього процесу є дифузією атомів в одному напрямку, а вакансій у зворотному. В області вакансії потенційний бар'єр має знижене значення і атом може долати його досить легко.
З енергетичної точки зору цей механізм є кращим, тому що енергія активації витрачається практично лише на роботу відриву частинок. При цьому невідбувається спотворення ґрат, неминучого, наприклад, при обмінному механізмі.
Ці процеси є хаотичними, а чи не спрямованими. У спрямований рух вони перетворюються тільки тоді, коли з'являється додаткова рушійна сила, якою виступає різниця в хімічних потенціалах контактують різних кристалів.
Очевидно, що швидкість дифузії пропорційна концентрації вакансій, що експоненційно залежить від температури.
При високих температурах можливе утворення бівакансій. В області бівакансіі потенційний бар'єр істотно нижчий, ніж у випадку звичайної вакансії, і при високих температурах дифузія здійснюється, переважно подивакансіонному механізму.
релаксаційний механізм–різновид вакансійного механізму. Якщо в області вакансій атоми зміщуються у напрямку до вакантного вузла на досить великі відстані, так що правильна структура решітки в цій області зникає, то цю область називаютьрелаксованої. Її виникнення можна ототожнити з локальним плавленням, що призводить до розпорядження в цій галузі. Всередині неї дифузія протікає аналогічно дифузії атомів рідини.
Для подолання потенційного бар'єру заввишки частка, що дифузує за вакансійним механізмом, витрачає енергію, необхідну для пружного зміщення атомів, що оточують вакансію і часткового розриву зв'язків із сусідніми атомами. Ця енергія носить назвуенергії активації по вакансіяхі позначається як . Тоді сумарна енергія активації дифузії за вакансійним механізмом може бути визначена як
Чисельні значення енергій активації для деяких речовин наведено у таблиці.