固體中的擴散

固體中的擴散

正文

擴散是一種由微粒的熱運動所引起的物質輸運過程，可以由一種或多種物質在氣、液或固體的同一相內或不同相間進行。在固體中，擴散粒子可以是雜質原子或離子，也可以是基質原子（自擴散）。擴散主要由濃度梯度或溫度梯度引起，而以前者較為常見，一般從濃度較高處向較低處擴散（在普遍的情況下，決定擴散的基本因素是化學勢），直到相內各部分的濃度達到均勻或兩相間的濃度達到平衡為止。擴散速度在氣體中最大，液體中次之，固體中最小。
擴散的巨觀規律由斐克定律表述：在擴散粒子濃度不太大的情況下，在單位時間內，通過單位面積的擴散粒子的量（擴散流密度）J，正比於濃度n的梯度：

，

D為擴散係數，單位是厘米2／秒。上式稱為斐克第一定律。
在分析實驗時，往往n是隨時間變化的,所以是非穩定擴散。通常取上式的散度並與連續性方程結合起來，如果D和濃度無關，得到

，

稱為斐克第二定律。
擴散現象密切依賴於溫度。在一定溫度範圍內，擴散係數和溫度的經驗關係式為

，

式中Do是常數,稱為頻率因子；Q是有關的擴散過程中的激活能。
在各向異性的晶體中，擴散係數也可能是各向異性的。
固體中擴散的微觀機制可以概括為三種（見圖）：①填隙原子機制，②空位機制，③交換機制。不同情況下，擴散主要採取那一種方式，是可以不同的。實驗表明，如果雜質原子的半徑比基質原子小得多，則總是以填隙方式存在於晶體中，並依靠熱漲落在間隙之間跳躍構成填隙式擴散，擴散係數較大。對於替代式原子（基質原子、替代式固溶體中的溶質原子），一般認為，最常見的是空位式擴散。交換式擴散涉及一些原子的合作運動，在一般情況下，可能性很小。

固體中的擴散

擴散係數對位錯、晶粒間界等晶體缺陷的存在十分敏感。在離子晶體中，擴散是與離子導電性緊密相聯繫的。晶體中含有的其他雜質，也會影響粒子的擴散行為。
研究擴散的實驗方法可以分為化學方法、物理方法和金相方法三大類。放射性示蹤原子屬物理方法，是多年來最基本的實驗方法。
擴散現象對於固體在生產技術中的套用有很廣泛的影響。金屬材料的許多問題，如相變過程、氧化過程、燒結過程以及蠕變、內耗、多邊形化等都與擴散有關。在半導體器件製造中，擴散已被發展成為一種重要的工藝技術。例如，在電晶體和積體電路製造中，磷、硼等雜質在矽中的擴散得到廣泛的套用。擴散現象的研究也促進了對固體的原子結構和固體中原子微觀運動的深入了解。

固體中的擴散

參考書目
　W. Jost,Diffusion in Solids,Liquids and Gases,Academic Press, New York, 1952.
　W.Seith,Diffusion in Metallen,Springer-Verlag,Berlin, 1955.
　Б.И.鮑爾塔克斯著，薛士鎣譯：《半導體中的擴散》，科學出版社，北京，1964。

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