表面技術-固體表面原子的擴散

1、固體表面原子的擴散,機械設計及理論 陳艦,1,2,2.3 固體表面原子的擴散,氣體擴散,液體擴散,3,高碳含量區(qū)域,低碳含量區(qū)域,Fe-C合金,2.3 固體表面原子的擴散,表面原子的擴散,表面原子擴散是指原子、離子、分子和小的原子簇等單個實體在物體表面上運動。其基本原因與體相中的擴散一樣，是通過熱運動而活化的。 溫度升高，原子振動幅度增大，但一般不足以造成原子離開平衡位置。造成擴散是因為： 一方面，原子熱運動的不均勻性，部分高能的可擴散 表面臺階、曲折以及位錯、空位、吸附原子等缺陷的能量高,2.3 固體表面原子的擴散,4,擴散：由構成物質的微粒（離子、原子、分子）的熱運動而產(chǎn)生的物質遷移現(xiàn)象稱

2、為擴散。,表面擴散的理論還很缺乏，表面擴散可看做是多步過程，即原子離開其平衡位置沿表面運動，直到找到其新的平衡位置。,假定只有吸附原子的擴散，該原子為了跳到相鄰的位置需要一定的熱能。因為吸附原子在起始和跳躍終結時均只能占據(jù)平衡位置，那么在這兩個位置之間區(qū)域，原子一定處于較高的能態(tài)。,2.3 固體表面原子的擴散,5,表面原子的擴散,6,從一個間隙位置跳躍到其近鄰的另一個間隙位置。 (left)面心立方結構的八面體間隙及（100）晶面 (right) 原子的自由能與其位置的關系,2.3 固體表面原子的擴散,左圖（a）為面心立方結構的八面體間隙中心位置，左圖（b）為面心立方結構（100）晶面上的原子

3、排列。圖中1代表間隙原子的原來位置，2代表跳躍后的位置。在跳躍時，必須把原子3與原子4或這個晶面上下兩側的相鄰原子推開，從而使晶格發(fā)生局部的瞬時畸變，這部分畸變就構成間隙原子跳躍的阻力，這就是間隙原子跳躍時所必須克服的能壘。 如右圖所示，間隙原子從位置1跳到位置2的能壘GG2-G1，因此只有那些自由能超過G2的原子才能發(fā)生跳躍。,隨機行走擴散理論,假定原子運動方向是任意的，原子每次跳躍的距離是等長的，并等于最近的距離d。設D是擴散系數(shù)，則：,式中，T為吸附熱力學溫度；KB為Boltzman常數(shù)；Hm為擴散勢壘的高度或遷移能；Hf為吸附原子的生成能； 0為原子沖擊勢壘的頻率；b為坐標的方向數(shù)；z

4、為配位數(shù)。 D與溫度T成指數(shù)關系，實驗驗證大部分固體都是如此。 D是一個重要的參數(shù)，可求得擴散時間，而且lnD對1/T作圖可測定表面擴散活化能。,2.3 固體表面原子的擴散,7,宏觀擴散的擴散系數(shù),在實際的表面上，不是一個原子而是許多原子同時進行擴散。原子的濃度大約在10101013cm-2范圍，因此擴散距離是表面原子擴散長度統(tǒng)計數(shù)字的平均值，必須用宏觀參數(shù)定義擴散過程。 假定不同能態(tài)吸附原子之間存在著玻爾茲曼分布為特征的平衡，則擴散系數(shù)為：,式中，Q為整個擴散過程中的活化能；D0為擴散常數(shù)，可在10-3103cm/s一個很寬的范圍內變動。,2.3 固體表面原子的擴散,8,表面擴散定律,A、C

5、處的濃度分別為CA、CC；NB為B排在Ld面積中所占的原子數(shù)。,2.3 固體表面原子的擴散,9,表面擴散定律,假定不是穩(wěn)定擴散，dt時間內，吸附原子在B區(qū)中的凈增加量為流入和流出B區(qū)域的原子數(shù)的差：,在B區(qū)域中凈增加的濃度C為：,Fick第二擴散定律的一維形式。具體應用時可通過邊界條件和初始條件求出擴散原子的濃度分布函數(shù)C=f(x,t),即：,2.3 固體表面原子的擴散,10,表面的自擴散和多相擴散,自擴散：在一個單組分的基底上同種原子的表面擴散 擴散物質不依賴它本身的濃度梯度，而僅僅是由于熱振動而產(chǎn)生的原子遷移過程 多相擴散：表面上其它吸附原子的擴散,2.3 固體表面原子的擴散,11,金屬表

6、面的自擴散,在自擴散中，無論本征擴散系數(shù)或傳質擴散系數(shù)，它們對于了解表面缺陷的情況都很重要。 如果求得此兩擴散系數(shù)與溫度的關系，就可以確定擴散缺陷的生成能和遷移能。,2.3 固體表面原子的擴散,12,多相表面擴散,多相表面擴散大多借助場電子發(fā)射顯微鏡和放射性示蹤原子技術，一般可觀察到三種擴散： 一是物理吸附氣體的擴散，擴散溫度很低，活化能很低； 二是覆蓋度為0.31個單層時，擴散發(fā)生在中溫到高溫之下，是化學吸附物類的擴散，測量的活化能高； 三是小覆蓋的情況，活化能比二還要高，仍屬于化學吸附物類的擴散，擴散溫度更高。,2.3 固體表面原子的擴散,13,14,表面向體內擴散,2.3 固體表面原子的擴散,表面向體內擴散是嚴格按照Fick擴散定律進行的。,工