1、第三章第三章 固体材料中质点的运动与固体材料中质点的运动与迁移迁移重点：重点：扩散机制扩散机制 扩散的分类扩散的分类 扩散推动力和扩散系数（两种推导方法）扩散推动力和扩散系数（两种推导方法）影响扩散的因素影响扩散的因素 在气态或液态中，原子或分子可以比较自由在气态或液态中，原子或分子可以比较自由地移动地移动 在晶体中，原子相对地比较稳定，在平衡位在晶体中，原子相对地比较稳定，在平衡位置上快速振动，对大多数晶体，振幅约为置上快速振动，对大多数晶体，振幅约为0.1左右，左右，不到原子间距的不到原子间距的1/10，并不会脱离平衡位置。，并不会脱离平衡位置。但是，由于存在热起伏，特别在较高的温度，但是
2、，由于存在热起伏，特别在较高的温度，有一部分粒子获得足够的能量克服束缚它的势垒，有一部分粒子获得足够的能量克服束缚它的势垒，脱离平衡位置而发生迁移。脱离平衡位置而发生迁移。把这种粒子迁移的微观过程以及由此引把这种粒子迁移的微观过程以及由此引起的宏观现象就称之为扩散现象起的宏观现象就称之为扩散现象。扩散是晶体中物质传递的基础扩散是晶体中物质传递的基础,许多反许多反应过程应过程,物理化学性质都与扩散有关物理化学性质都与扩散有关.固相反应固相反应,烧结烧结,固体离子导电固体离子导电固体扩散的基本特点固体扩散的基本特点:1.构成固体的所有质点均束缚在三维周期性势阱中，构成固体的所有质点均束缚在三维周期
3、性势阱中，质点与质点间的相互作用强。质点与质点间的相互作用强。质点的每一步迁移必须从热涨落中获取足够的能质点的每一步迁移必须从热涨落中获取足够的能量以克服势阱的能量量以克服势阱的能量。因此固体中明显的质点扩散常。因此固体中明显的质点扩散常开始于较高的温度，但实际上又往往低于固体的熔点。开始于较高的温度，但实际上又往往低于固体的熔点。2.固体中的扩散往往具有各向异性固体中的扩散往往具有各向异性,扩散速度慢扩散速度慢 离子或原子的移动与晶体结构有关。晶体不同方离子或原子的移动与晶体结构有关。晶体不同方向面网密度不一样向面网密度不一样,会导致质点在各个方向上迁移的会导致质点在各个方向上迁移的几率不一
4、样几率不一样,而且迁移方向和距离也受结构限制而且迁移方向和距离也受结构限制第一节第一节 扩散动力学方程扩散动力学方程(dynastic equation of diffusion)1.1.菲克第一定律菲克第一定律-稳态扩散稳态扩散 单位时间内通过单位横截面积的质点数目（或称扩散单位时间内通过单位横截面积的质点数目（或称扩散流量密度）流量密度）J:式中式中D为扩散系数（为扩散系数（m2/s或或cm2/s）；负号表示粒子）；负号表示粒子从浓度高处向浓度低处扩散，即逆浓度梯度的方向扩散。从浓度高处向浓度低处扩散，即逆浓度梯度的方向扩散。dXdCDJ 2.菲克第二定律：菲克第二定律：适用于求解扩散质点
5、浓度分布随时间变化的不稳适用于求解扩散质点浓度分布随时间变化的不稳定扩散问题。定扩散问题。222222zcycxcDtc第二节第二节 扩散机制扩散机制 晶体中原子都在平衡位置振动晶体中原子都在平衡位置振动,由于晶体中存在由于晶体中存在着能量起伏着能量起伏,在任一时刻都会有一些能量高的原子在任一时刻都会有一些能量高的原子可以克服周围质点的束缚进行迁移而成为活化原子可以克服周围质点的束缚进行迁移而成为活化原子(图图3-2-1)。活化原子数目符合波尔兹曼分布活化原子数目符合波尔兹曼分布：克服的能垒GNenKTG/1图图3-2-1 间隙原子迁移自由能变化间隙原子迁移自由能变化 对于一个原子来说，设原子
6、在平衡位置振动的频率对于一个原子来说，设原子在平衡位置振动的频率为为v,但并不是每一次振动都能引起跃迁，只有那些振但并不是每一次振动都能引起跃迁，只有那些振动能量高于迁移势垒的振动才能发生迁移，称之为有动能量高于迁移势垒的振动才能发生迁移，称之为有效跃迁频率效跃迁频率f,f与与 v的关系为：的关系为：KTGvef/一：扩散的微观机制：一：扩散的微观机制：空位、间隙、空位、间隙、环易位和易位环易位和易位，主要为空位和间，主要为空位和间隙两种。隙两种。1.空位机构：空位机构：通过原子与邻近空位交换位置而实现迁移，这种通过原子与邻近空位交换位置而实现迁移，这种扩散机制称为空位机制。扩散机制称为空位机
7、制。提高温度或用射线幅照等提高点缺陷密度的因素提高温度或用射线幅照等提高点缺陷密度的因素均使扩散系数增大。均使扩散系数增大。纯金属中的自扩散和置换固溶体中溶剂原子和溶纯金属中的自扩散和置换固溶体中溶剂原子和溶质原子的迁移就是通过这种机制进行的质原子的迁移就是通过这种机制进行的 图图3-1表明在面心立方结构中表明在面心立方结构中(111)晶面上的晶面上的一个原子移向邻近空位的情况。一个原子移向邻近空位的情况。原子将沿着与空位运动相反的方向迁移。原子将沿着与空位运动相反的方向迁移。图图3-1 空位扩散示意图空位扩散示意图实现空位机制的条件实现空位机制的条件1.扩散原子的近邻应当有空位扩散原子的近邻
8、应当有空位2.同时空位周围的原子还必须具有超过能垒同时空位周围的原子还必须具有超过能垒的自由能。的自由能。表表3-1 一些纯金属的自扩散激活能一些纯金属的自扩散激活能 随着金属熔点的提高，激活能也提高。这是由随着金属熔点的提高，激活能也提高。这是由于金属的熔点越高，其原子间的结合能也越强。于金属的熔点越高，其原子间的结合能也越强。2.间隙机构间隙机构 是指原子通过晶体间隙位置进行扩散的方式。是指原子通过晶体间隙位置进行扩散的方式。间隙机构引起晶格变形大，只有间隙原子与间隙机构引起晶格变形大，只有间隙原子与晶格位置上的原子尺寸相比较是很小时，才会发晶格位置上的原子尺寸相比较是很小时，才会发生生。
9、碳在碳在 铁中八面体间铁中八面体间隙位置迁移到邻近的隙位置迁移到邻近的间隙位置。间隙位置。间隙原子的扩散系间隙原子的扩散系数要比母相基体金属数要比母相基体金属的原子自扩散系数大的原子自扩散系数大104-105倍。倍。当间隙原子直径较大时，间隙原子通过把它近邻晶格当间隙原子直径较大时，间隙原子通过把它近邻晶格结点上的原子从正常位置推到附近的间隙中而自已则占领结点上的原子从正常位置推到附近的间隙中而自已则占领该原子原来的结点位置，如下图所示，此时两个原子的同该原子原来的结点位置，如下图所示，此时两个原子的同时运动并未增加间隙原子的总数。时运动并未增加间隙原子的总数。这种机制称为这种机制称为推入间隙
10、推入间隙机制机制推入间隙机制推入间隙机制3.易位扩散：易位扩散：是指正负离子换位是指正负离子换位.需要的能量就大需要的能量就大,至今未见报道至今未见报道4.环形易位扩散：环形易位扩散：一般只同粒子易位一般只同粒子易位,所需能量小所需能量小,但是几个粒子恰好同时成环形移动的几率低但是几个粒子恰好同时成环形移动的几率低易位易位环易位环易位第三节第三节 扩散的分类扩散的分类1.按机制按机制:空位机制和间隙机制空位机制和间隙机制2.按发生区域按发生区域:体积扩散体积扩散(晶格晶格)晶体内晶体内 表面扩散表面扩散 晶界扩散晶界扩散 位错扩散（攀移等）位错扩散（攀移等）3.按有无定向的扩散流按有无定向的扩
11、散流:有序扩散有序扩散(在外场作用在外场作用)：如在电场作用下离子导：如在电场作用下离子导 体中粒子的迁移体中粒子的迁移 无序扩散无序扩散(无外场作用无外场作用)-质点随机运动质点随机运动4.按有无杂质按有无杂质:本征扩散本征扩散-本征扩散是指源于晶体结构中本本征扩散是指源于晶体结构中本 征热缺陷产生空位而引起质点的迁移征热缺陷产生空位而引起质点的迁移非本征扩散非本征扩散外加外加杂质杂质产生的缺陷作为载体的扩散产生的缺陷作为载体的扩散 如如CaCl2 加加KCl到中产生钾离子空位引起的扩散到中产生钾离子空位引起的扩散 除此之外：除此之外：顺扩散：质点由浓度高的地方向浓度低的地方迁移顺扩散：质点
12、由浓度高的地方向浓度低的地方迁移 逆扩散（上坡扩散）：质点由浓度低的地方向浓度高逆扩散（上坡扩散）：质点由浓度低的地方向浓度高 的地方迁移的地方迁移 说明扩散中起决定作用的是化学位，不是浓度梯度说明扩散中起决定作用的是化学位，不是浓度梯度自扩散：一种原子或离子通过在由该种原子或离子构自扩散：一种原子或离子通过在由该种原子或离子构 成的物质内的扩散。成的物质内的扩散。如金属中金属原子的迁移，如金属中金属原子的迁移，由于不存在浓度梯度，由于不存在浓度梯度，自扩散产生于晶体原子的无规随机运动自扩散产生于晶体原子的无规随机运动互扩散：互扩散：在多元系统中常常有数种离子同时扩散，在多元系统中常常有数种离
13、子同时扩散，它们对系统扩散的贡献之总和可以用互扩散系数它们对系统扩散的贡献之总和可以用互扩散系数 表示。这类扩散是处在化学位梯度下进行的。表示。这类扩散是处在化学位梯度下进行的。-黄铜（黄铜（Cu+30%Zn)-铜中铜和锌的扩散铜中铜和锌的扩散D第四节第四节 扩散推动力和扩散系数扩散推动力和扩散系数一：扩散推动力一：扩散推动力 从菲克定律可以看出扩散推动力是浓度梯度，但实从菲克定律可以看出扩散推动力是浓度梯度，但实际上不是这样的。如果是浓度梯度推动扩散会导致浓际上不是这样的。如果是浓度梯度推动扩散会导致浓度均匀化，但是并非所有扩散都导致浓度均匀。度均匀化，但是并非所有扩散都导致浓度均匀。图图3
14、-4-1 FeSiC（0.478%）与）与FeC（0.441%）合金在合金在105013天扩散后碳原子天扩散后碳原子的分布情况的分布情况 由于硅增加了碳的活度，而组元的化学位高由于硅增加了碳的活度，而组元的化学位高低与该组元的活度有关活度高，其化学位也高，低与该组元的活度有关活度高，其化学位也高，组元从高化学位处向低化学位处流动，这是使体组元从高化学位处向低化学位处流动，这是使体系自由能下降的过程，也是一种自发的过程。系自由能下降的过程，也是一种自发的过程。这种现象发生的原因这种现象发生的原因 实际上扩散推动力是化学梯度实际上扩散推动力是化学梯度，浓度只是，浓度只是影响化学位的一个重要因素，是
15、扩散推动力影响化学位的一个重要因素，是扩散推动力的一部分，还有电场、应力等因素。的一部分，还有电场、应力等因素。物质由化学位高的地方向化学位低的地方迁移物质由化学位高的地方向化学位低的地方迁移二：由化学位推导扩散系数二：由化学位推导扩散系数 化学位可以与重力场中的势能类比，势函数对化学位可以与重力场中的势能类比，势函数对距离的微分是力函数距离的微分是力函数 若一系统中由于一定的原因若一系统中由于一定的原因(浓度、应力等浓度、应力等)出出现化学位随距离的变化，此时溶质原子现化学位随距离的变化，此时溶质原子i在化学位降在化学位降低的方向便会受到驱动力低的方向便会受到驱动力Fi的作用：的作用：扩散所
16、受到的驱动力扩散所受到的驱动力Fi等于沿等于沿x方向上化学位梯度方向上化学位梯度的负值的负值xFi式式.3-4-1.3-4-1 单从上式看，似乎在这一驱动力的作用下，原子单从上式看，似乎在这一驱动力的作用下，原子应该加速前进。应该加速前进。但是由于点阵阻力的影响，扩散原子在化学驱动但是由于点阵阻力的影响，扩散原子在化学驱动力的驱动下运动时，同时会遇到基体原子的阻力；原力的驱动下运动时，同时会遇到基体原子的阻力；原子最终是以极限速度匀速运动的受力原子的极限速子最终是以极限速度匀速运动的受力原子的极限速率率Vi正比与正比与Fi即即xBFBViiii Bi一组元一组元i原子原子迁移率迁移率，即单位驱
17、动力作用下组，即单位驱动力作用下组元元i原子的运动速率。原子的运动速率。式式3-4-23-4-2 组元组元i的扩散通量的扩散通量Ji与其浓度及宏观平均运动与其浓度及宏观平均运动速率速率Vi之间存在以下关系，即之间存在以下关系，即xBcVcJiiiiixcDJiii式式3-4-33-4-3式式3-4-43-4-4与菲克第一定律：与菲克第一定律：相比较可以求出菲克第一定律中扩散系数的真相比较可以求出菲克第一定律中扩散系数的真实含义实含义 )1()1(/)(/)(/0000iiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiIncInkTBDIncInkTInckTInckTInIncckTInIncc
18、kTInkTInIncBcBcD式中式中 i和和 i 分别为组分别为组元元i在固溶体中的活度在固溶体中的活度和活度系数。和活度系数。由由式式3-4-33-4-3，3-4-43-4-4得出：得出：式式3-4-53-4-5讨论：讨论：（1）如果是理想固溶液或稀固溶液，）如果是理想固溶液或稀固溶液，i=1 Di=Di*(自扩散系数自扩散系数)=kTBi（2）如果是非理想固溶液）如果是非理想固溶液01iiIncInDi0，为顺扩散，根据菲克第一，为顺扩散，根据菲克第一定律，物质由定律，物质由高浓度区向低浓度区高浓度区向低浓度区流动导致浓度均匀化流动导致浓度均匀化。01iiIncInDin2)。KTGv
19、ef/如果原子定向迁移如果原子定向迁移都朝晶面都朝晶面II方向迁移方向迁移，则在时间间隔则在时间间隔 t内单位面积上由通过晶面内单位面积上由通过晶面I跃跃迁晶面迁晶面II的溶质原子总数为的溶质原子总数为tfnNIII1为了理解方便假设：为了理解方便假设：1.所有原子朝晶面所有原子朝晶面II方向迁移方向迁移2.有效跃迁频率为有效跃迁频率为f=5，每个原子单位时间内迁移，每个原子单位时间内迁移5次次那么：那么：tnNIII51III1234512345实际上：质点迁移方向是随机的。实际上：质点迁移方向是随机的。假设：假设：(3).任何一次溶质原子跳动使其从一个晶面跃迁至任何一次溶质原子跳动使其从一
20、个晶面跃迁至相邻晶面的几率为相邻晶面的几率为p；那么在时间间隔那么在时间间隔 t内单位面积上由面内单位面积上由面I移到面移到面II的的溶质原子总数为溶质原子总数为tfpnNIII1tfpnNIII2 同理可得：在时间间隔同理可得：在时间间隔 t内单位面积上由内单位面积上由面面 II移到面移到面I的溶质原子总数为的溶质原子总数为式式3-5-13-5-1式式3-5-23-5-2则单位面积的晶面则单位面积的晶面II所得溶质原子净值为所得溶质原子净值为pfnnJtpfnnNNIIIIII)()(2121 设晶面设晶面I和和II上的溶质原子的体积浓度上的溶质原子的体积浓度C1,C2分别分别为为:C1=n
21、1/a,C2=n2/a，则，则 (C1 C)apf -(C2 C1)apfRTGvepapfaDxCpfaJaCCxCIII22212:到：和菲克第一定律比较得的浓度梯度为和晶面晶面式式3-5-33-5-33.不同结构的物质无序扩散的扩散系数的不同结构的物质无序扩散的扩散系数的(表表3-5-1)结构结构可供跃迁可供跃迁位置数位置数跃迁距离跃迁距离 扩散系数扩散系数简立方简立方6 6a=a0（晶胞常（晶胞常数）数）体心立方体心立方8面心立方面心立方12023aa 022aa 2061faD 2020323)23(81faafD2020241)22(121faafD表表3-5-1 不同结构物质中的
22、可供跃迁位置数、跃迁不同结构物质中的可供跃迁位置数、跃迁 距离、扩散系数距离、扩散系数 为使无序扩散系数使用各种结构，我们引入几何因为使无序扩散系数使用各种结构，我们引入几何因子子 20faDa0-晶胞常数晶胞常数-包含了朝某一方向跃迁包含了朝某一方向跃迁几率几率p，也包含了，也包含了跃跃迁距离与晶胞常数之间的比例关系迁距离与晶胞常数之间的比例关系注意：注意：讨论无序扩散时，我们撇开了扩散的微观讨论无序扩散时，我们撇开了扩散的微观机制机制,也就不考虑它是否是间隙还是空位机也就不考虑它是否是间隙还是空位机制等制等.而实际上由于扩散机制不同而实际上由于扩散机制不同,扩散系数也扩散系数也就有不同的表
23、达方式。就有不同的表达方式。二二.空位扩散的扩散系数空位扩散的扩散系数 空位扩散是质点周围必须有空位可提供跃迁，其原子还必空位扩散是质点周围必须有空位可提供跃迁，其原子还必须具有克服势垒的能量。所以它不象无序扩散那样每次跃迁须具有克服势垒的能量。所以它不象无序扩散那样每次跃迁都是成功的。空位扩散质点跃迁成功与否与都是成功的。空位扩散质点跃迁成功与否与空位浓度和跃空位浓度和跃迁频率迁频率有关。有关。原子迁移能原子本征振动频率空位浓度，MvRTGVRTGvGvNevNaDevNfMM002001.若空位仅来源若空位仅来源于热缺陷于热缺陷本征本征扩散扩散MfRSSHHQevaDMf21)21(020
24、0，扩散活化能频率因子，若空位来源于热缺陷QDeDeDeevaeevaeevafaDeevfeNnNRTQRTHHRTHHRSSRTSTHRTSTHRTGRTGRTGRTGRTGvMfMfMfMMffMfMff00)21(0)21()21(020)(2)(0202020202022.若空位是由杂质引起的若空位是由杂质引起的CaClCaCl2 2 Ca Ca.K K +V +V/K K +2Cl +2ClClClKCl空位浓度为空位浓度为Nv+NI（热缺陷（热缺陷+杂质缺陷）杂质缺陷）空位扩散的扩散系数空位扩散的扩散系数RTGIVMevNNaD020)(（1）高温时以热缺陷为主，缺陷浓度为）高温
25、时以热缺陷为主，缺陷浓度为扩散系数为扩散系数为RTGvfeNnN2RTGRTGMfeevafaD202020RTQeD0（2）低温是杂质缺陷为主，缺陷浓度主要取决于杂）低温是杂质缺陷为主，缺陷浓度主要取决于杂质加入量质加入量RSKMRTQRTHRTHRSKRTSTHKRTGKKIMMMMMMMeVvaDHQeDeDeeVvaeVvaeVvafaDVN)(02000)(0)()(020)(02002020，频率因子扩散活化能扩散受固溶体引入的杂质离子的电价和浓扩散受固溶体引入的杂质离子的电价和浓度等外界因素控制，故称之为非本征扩散度等外界因素控制，故称之为非本征扩散我们可以做一下不同温度的我们可
26、以做一下不同温度的lgD-1/T图图lgD1/TRHMRHHMf)21(非本征扩散非本征扩散本征扩散本征扩散3.非化学计量化合物的扩散系数非化学计量化合物的扩散系数 在非化学计量化合物中在非化学计量化合物中,由于缺陷浓度与气氛有由于缺陷浓度与气氛有关关,所以扩散系数也明显依赖与环境中的气氛所以扩散系数也明显依赖与环境中的气氛阳离子空位型阳离子空位型Cu2-xO Fe1-xO2FeFe +1/2O2(g)=2Fe.Fe +OO +V/Fe 1/2 O2(g)=2h.+OO +V/Fe h.=2V/FeK=(OO V/Fe h.2)/P 1/2O2=4 V/Fe3/P 1/2O2-RTInK=G0
27、RSSOMRTQORTGRTGORTGFeRTGOFeRTGOFeRTGMMMePvaDHHQeDDPeePvaeVvafaDePVePVeK0220202020316/1020310006/136/1020310202036/1312/13)41(,31)41()41(,4扩散系数若同时考虑本征若同时考虑本征,杂质和非化学计量缺陷不同杂质和非化学计量缺陷不同温度的温度的lgD-1/T图图lgD1/TRHMRHHMf)21(非本征扩散非本征扩散本征扩散本征扩散非化学计量非化学计量THHM031阴离子空位型阴离子空位型TiO2-x,ZrO2-x2TiTi +4OO=2Ti/Ti +VO+1/2O
28、2 +3OO可简化为：可简化为：2TiTi+4OO=2TiTi+2e/+VO+1/2O2 +3OO OO=V.O +1/2O2 +2e/RTGRTGOMeePvaD36/10203102)41(作业题三三.间隙扩散的扩散系数间隙扩散的扩散系数 间隙扩散质点跃迁成功与否也是与间隙空位浓度间隙扩散质点跃迁成功与否也是与间隙空位浓度和跃迁频率有关。和跃迁频率有关。RSMRTQRTHRSRTGiiRTGRTGiMMMMMMevaDHQeDeevaevaDNNevevNf)(02000)()(020020001，频率因子扩散活化能所以据是空着的隙基本上没有被原子占间隙空位分数，因为间第四节第四节 影响扩
29、散的因素影响扩散的因素一：扩散物质与扩散介质结构的影响一：扩散物质与扩散介质结构的影响1.扩散物质与扩散介质性质差别越大越有利于扩散扩散物质与扩散介质性质差别越大越有利于扩散 差别大，容易引起大的晶格畸变，质点具有高的能差别大，容易引起大的晶格畸变，质点具有高的能量容易被激活量容易被激活 某些元素在铅中的扩散某些元素在铅中的扩散(表表3-2)Au和和Ag与铅差别较大，所以扩散系数大一些。与铅差别较大，所以扩散系数大一些。扩散元素扩散元素原子半径原子半径（）扩散元素熔点扩散元素熔点 扩散系数扩散系数PbTlSnSbBiAuAg1.741.711.581.611.821.441.443273032
30、3263027110639607 10-113.610-101.610-106.410-104.410-104.610-59.110-8某些元素在铅中的扩散某些元素在铅中的扩散(表表3-2)2.扩散介质结构的影响扩散介质结构的影响 介质结构越疏松越有利于扩散介质结构越疏松越有利于扩散 如如Zn在在-黄铜中（体心立方）扩散系数就比在黄铜中（体心立方）扩散系数就比在-黄铜（面心立方）中的大黄铜（面心立方）中的大 对于固溶体来说，则固溶体结构类型对扩散有着对于固溶体来说，则固溶体结构类型对扩散有着显著影响，例如间隙固溶体比置换型固溶体容易扩显著影响，例如间隙固溶体比置换型固溶体容易扩散，因为前者溶质
31、原子在扩散过程中无须消耗脱离散，因为前者溶质原子在扩散过程中无须消耗脱离节点所需要的功，从而降低了扩散活化能。节点所需要的功，从而降低了扩散活化能。3.化学键的影响化学键的影响 在金属键，离子键和共价键材料中。空位扩散在金属键，离子键和共价键材料中。空位扩散始终是晶体质点迁移的主要方式始终是晶体质点迁移的主要方式.但当晶体结构比较开放或间隙原子比格点原子但当晶体结构比较开放或间隙原子比格点原子小得多时小得多时,间隙扩散占优势，间隙扩散占优势，如如H,C,N在在金属金属中的中的扩散，萤石中扩散，萤石中F的扩散的扩散 在共价化合物中，共价键饱和性导致配位数低，在共价化合物中，共价键饱和性导致配位数
32、低，空间利用率低；结构较开放。但是由于成键的方空间利用率低；结构较开放。但是由于成键的方向性限制了间隙扩散的扩散活化能并不是很低。向性限制了间隙扩散的扩散活化能并不是很低。二二.晶界表面等结构缺陷对扩散的影响晶界表面等结构缺陷对扩散的影响 由于晶界和表面质点的排列偏离了粒子理想点阵，由于晶界和表面质点的排列偏离了粒子理想点阵，因此晶界和表面处质点迁移所需要的的扩散活化能较低。因此晶界和表面处质点迁移所需要的的扩散活化能较低。扩散系数大于晶格扩散系数，可作为扩散的通道。扩散系数大于晶格扩散系数，可作为扩散的通道。离子扩散活化能：离子扩散活化能：Qs=0.5 Qb Qg=(0.6-0.8)Qb D
33、S Dg Db DS:Dg:Db=10-7:10-10:10-14 Qs：表面质点的扩散活化能：表面质点的扩散活化能,Qg：晶界质点的扩散活晶界质点的扩散活化能化能,Qb：晶格质点的扩散活化能晶格质点的扩散活化能.晶晶界，位错都是扩散的快速通道，实验证明某些氧界，位错都是扩散的快速通道，实验证明某些氧化物材料的晶界对离子扩散还具有选择性增强的作用，化物材料的晶界对离子扩散还具有选择性增强的作用，如如Fe2O3,CoO,SrTiO3中的晶界或位错有增强中的晶界或位错有增强O2-扩散扩散的作用。的作用。三三.温度和杂质的影响温度和杂质的影响1.温度温度 ，缺陷浓度质点动能,0TDTeDDRTQ 因
34、为大多数实用晶体材料都有杂质和具有一定因为大多数实用晶体材料都有杂质和具有一定的热历史，所以在不同的温度区间扩散活化能不同的热历史，所以在不同的温度区间扩散活化能不同.区间会出现转折区间会出现转折2.杂质影响杂质影响 假如杂质造成晶格畸变，有利于扩散。若杂质与假如杂质造成晶格畸变，有利于扩散。若杂质与扩散介质形成化合物，会使扩散系数降低扩散介质形成化合物，会使扩散系数降低五：气氛的影响五：气氛的影响主要对非化学计量中的化合物有明显的影响主要对非化学计量中的化合物有明显的影响 硅晶片的掺杂扩散硅晶片的掺杂扩散 将杂质扩散进入硅晶片以改变其导电特性是生产现将杂质扩散进入硅晶片以改变其导电特性是生产现代集成电子线路的一个重要环节。一个具体的方法代集成电子线路的一个重要环节。一个具体的方法是将硅晶片放在温度约为是将硅晶片放在温度约为1100的石英炉中、并使的石英炉中、并使其表面暴露在适当杂质蒸气中，硅晶片表面不希望其表面暴露在适当杂质蒸气中，硅晶片表面不希望渗入杂质的部分必须遮住：与钢制零件的气体渗碳渗入杂质的部分必须遮住：与钢制零件的气体渗碳一样，扩散进入硅表面的杂质浓度随着离表面深度一样，扩散进入硅表面的杂质浓度随着离表面深度的增加而减小，改变扩散时间也会改变杂质的浓度的增加而减小，改变扩散时间也会改变杂质的浓度分布。分布。
