表面技術(shù)-固體表面原子的擴(kuò)散

1、固體表面原子的擴(kuò)散,機(jī)械設(shè)計(jì)及理論 陳艦,1,2,2.3 固體表面原子的擴(kuò)散,氣體擴(kuò)散,液體擴(kuò)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(kuò)散,表面原子的擴(kuò)散,表面原子擴(kuò)散是指原子、離子、分子和小的原子簇等單個(gè)實(shí)體在物體表面上運(yùn)動(dòng)。其基本原因與體相中的擴(kuò)散一樣，是通過熱運(yùn)動(dòng)而活化的。 溫度升高，原子振動(dòng)幅度增大，但一般不足以造成原子離開平衡位置。造成擴(kuò)散是因?yàn)椋?一方面，原子熱運(yùn)動(dòng)的不均勻性，部分高能的可擴(kuò)散 表面臺(tái)階、曲折以及位錯(cuò)、空位、吸附原子等缺陷的能量高,2.3 固體表面原子的擴(kuò)散,4,擴(kuò)散：由構(gòu)成物質(zhì)的微粒（離子、原子、分子）的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的物質(zhì)遷移現(xiàn)象稱

2、為擴(kuò)散。,表面擴(kuò)散的理論還很缺乏，表面擴(kuò)散可看做是多步過程，即原子離開其平衡位置沿表面運(yùn)動(dòng)，直到找到其新的平衡位置。,假定只有吸附原子的擴(kuò)散，該原子為了跳到相鄰的位置需要一定的熱能。因?yàn)槲皆釉谄鹗己吞S終結(jié)時(shí)均只能占據(jù)平衡位置，那么在這兩個(gè)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(kuò)散,5,表面原子的擴(kuò)散,6,從一個(gè)間隙位置跳躍到其近鄰的另一個(gè)間隙位置。 (left)面心立方結(jié)構(gòu)的八面體間隙及（100）晶面 (right) 原子的自由能與其位置的關(guān)系,2.3 固體表面原子的擴(kuò)散,左圖（a）為面心立方結(jié)構(gòu)的八面體間隙中心位置，左圖（b）為面心立方結(jié)構(gòu)（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(shí)，必須把原子3與原子4或這個(gè)晶面上下兩側(cè)的相鄰原子推開，從而使晶格發(fā)生局部的瞬時(shí)畸變，這部分畸變就構(gòu)成間隙原子跳躍的阻力，這就是間隙原子跳躍時(shí)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(jī)行走擴(kuò)散理論,假定原子運(yùn)動(dòng)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(shè)D是擴(kuò)散系數(shù)，則：,式中，T為吸附熱力學(xué)溫度；KB為Boltzman常數(shù)；Hm為擴(kuò)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(biāo)的方向數(shù)；z

4、為配位數(shù)。 D與溫度T成指數(shù)關(guān)系，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證大部分固體都是如此。 D是一個(gè)重要的參數(shù)，可求得擴(kuò)散時(shí)間，而且lnD對1/T作圖可測定表面擴(kuò)散活化能。,2.3 固體表面原子的擴(kuò)散,7,宏觀擴(kuò)散的擴(kuò)散系數(shù),在實(shí)際的表面上，不是一個(gè)原子而是許多原子同時(shí)進(jìn)行擴(kuò)散。原子的濃度大約在10101013cm-2范圍，因此擴(kuò)散距離是表面原子擴(kuò)散長度統(tǒng)計(jì)數(shù)字的平均值，必須用宏觀參數(shù)定義擴(kuò)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(kuò)散系數(shù)為：,式中，Q為整個(gè)擴(kuò)散過程中的活化能；D0為擴(kuò)散常數(shù)，可在10-3103cm/s一個(gè)很寬的范圍內(nèi)變動(dòng)。,2.3 固體表面原子的擴(kuò)散,8,表面擴(kuò)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(kuò)散,9,表面擴(kuò)散定律,假定不是穩(wěn)定擴(kuò)散，dt時(shí)間內(nèi)，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(kuò)散定律的一維形式。具體應(yīng)用時(shí)可通過邊界條件和初始條件求出擴(kuò)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(kuò)散,10,表面的自擴(kuò)散和多相擴(kuò)散,自擴(kuò)散：在一個(gè)單組分的基底上同種原子的表面擴(kuò)散 擴(kuò)散物質(zhì)不依賴它本身的濃度梯度，而僅僅是由于熱振動(dòng)而產(chǎn)生的原子遷移過程 多相擴(kuò)散：表面上其它吸附原子的擴(kuò)散,2.3 固體表面原子的擴(kuò)散,11,金屬表

6、面的自擴(kuò)散,在自擴(kuò)散中，無論本征擴(kuò)散系數(shù)或傳質(zhì)擴(kuò)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(kuò)散系數(shù)與溫度的關(guān)系，就可以確定擴(kuò)散缺陷的生成能和遷移能。,2.3 固體表面原子的擴(kuò)散,12,多相表面擴(kuò)散,多相表面擴(kuò)散大多借助場電子發(fā)射顯微鏡和放射性示蹤原子技術(shù)，一般可觀察到三種擴(kuò)散： 一是物理吸附氣體的擴(kuò)散，擴(kuò)散溫度很低，活化能很低； 二是覆蓋度為0.31個(gè)單層時(shí)，擴(kuò)散發(fā)生在中溫到高溫之下，是化學(xué)吸附物類的擴(kuò)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(xué)吸附物類的擴(kuò)散，擴(kuò)散溫度更高。,2.3 固體表面原子的擴(kuò)散,13,14,表面向體內(nèi)擴(kuò)散,2.3 固體表面原子的擴(kuò)散,表面向體內(nèi)擴(kuò)散是嚴(yán)格按照Fick擴(kuò)散定律進(jìn)行的。,工