固体中的扩散课件

材料物理化学材料物理化学固体中的扩散材料物理化学固体中的扩散n n扩散现象：扩散现象：由于热或其他原因导致的原子运由于热或其他原因导致的原子运动，物质从系统的这一部分迁移至另一部分动，物质从系统的这一部分迁移至另一部分的现象，被称为扩散。的现象，被称为扩散。n n扩散体系扩散体系 扩散物质扩散介质扩散物质扩散介质n n气味气味气体分子扩散气体分子扩散n n汽油味（汽油味（汽油味（汽油味（g/gg/g）n n盐酸的制备（盐酸的制备（盐酸的制备（盐酸的制备（g/lg/l）n n液体混合、布朗运动液体混合、布朗运动液体分子扩散液体分子扩散n n墨水融解（墨水融解（墨水融解（墨水融解（l/ll/l）、酒精（）、酒精（）、酒精（）、酒精（l/ll/l）、咖啡融解（）、咖啡融解（）、咖啡融解（）、咖啡融解（s/ls/l）n n固体分子固体分子扩散么？扩散么？n n半导体掺杂（半导体掺杂（半导体掺杂（半导体掺杂（s/ss/s）扩散现象：由于热或其他原因导致的原子运动，物质从系统的这一部2024/5/172024/5/173 3固体扩散示意-生活实例2023/8/33固体扩散示意-生活实例4 4固体扩散示意4固体扩散示意n n【实例实例】基于固相扩散的半导体掺杂基于固相扩散的半导体掺杂n n本征半导体本征半导体掺杂半导体掺杂半导体-施主、受主施主、受主【实例】基于固相扩散的半导体掺杂2024/5/172024/5/176 6n n固体中同样发生原子输运、混合过程固体中同样发生原子输运、混合过程n n固体中原子间结构的固体中原子间结构的内聚力大内聚力大得多得多n n故：故：固体中原子扩散比气体、液体慢固体中原子扩散比气体、液体慢得多、甚至几百万倍！得多、甚至几百万倍！n n尽管如此，只要固体中原子、离子分尽管如此，只要固体中原子、离子分布不均、存在浓度梯度，就会产生使布不均、存在浓度梯度，就会产生使浓度趋于均匀的浓度趋于均匀的定向扩散定向扩散2023/8/36固体中同样发生原子输运、混合过程7 7n n在固体中，由于不存在对流，在固体中，由于不存在对流，扩散扩散就成为物质传输的惟一方式。就成为物质传输的惟一方式。n n在材料科学中多种过程与扩散有关在材料科学中多种过程与扩散有关n n形成固溶体形成固溶体 半导体掺杂半导体掺杂n n如相变、固相反应、烧结工艺如相变、固相反应、烧结工艺n n渗碳和渗氮工艺渗碳和渗氮工艺 氧化过程氧化过程 n n高温蠕变等高温蠕变等7在固体中，由于不存在对流，扩散就成为物质传输的惟一方式。8 8绪论n n什么是扩散？什么是扩散？n n扩散是由扩散是由热运动热运动（温度梯度）（温度梯度）引起的引起的杂质原子、基质原子或缺陷的输运的一种杂质原子、基质原子或缺陷的输运的一种过程过程n n从热力学角度看，只有在绝对零度，才没从热力学角度看，只有在绝对零度，才没有扩散。有扩散。n n除了温度梯度、还有浓度梯度、化学位梯除了温度梯度、还有浓度梯度、化学位梯度等引起的物质输运过程度等引起的物质输运过程8绪论什么是扩散？9 9n n故：扩散是由于体系内原子或离子存故：扩散是由于体系内原子或离子存在有在有化学势或电化学势梯度化学势或电化学势梯度（由温度、（由温度、浓度等因素引起）浓度等因素引起）情况下，所发生的情况下，所发生的定向流动和互相混合过程定向流动和互相混合过程n n扩散的结果扩散的结果即即消除这种化学势或电化消除这种化学势或电化学势梯度，达到体系内组分浓度的均学势梯度，达到体系内组分浓度的均匀分布或平衡匀分布或平衡9故：扩散是由于体系内原子或离子存在有化学势或电化学势梯度（1010典型扩散：典型扩散：典型扩散：典型扩散：突变浓度突变浓度突变浓度突变浓度均匀浓度分布均匀浓度分布均匀浓度分布均匀浓度分布10典型扩散：突变浓度均匀浓度分布11119-1扩散的基本特点及扩散方程扩散的基本特点及扩散方程n n一一.固体扩散的基本特点固体扩散的基本特点n n1.扩散开始于较高温度扩散开始于较高温度（低于固体熔点）（低于固体熔点）n n所有质点均束缚在三维周期性势阱中，所有质点均束缚在三维周期性势阱中，质点间相互作用强，质点每一步迁移必质点间相互作用强，质点每一步迁移必须从热涨落或外场中获取足够能量以克须从热涨落或外场中获取足够能量以克服势阱能量服势阱能量119-1 扩散的基本特点及扩散方程一.固体扩散的基本特点1212n n2.固体中质点扩散各向异性和扩散速率低固体中质点扩散各向异性和扩散速率低n n固体中原子或离子的迁移方向和自由行程固体中原子或离子的迁移方向和自由行程受结构结构中质点排列方式的限制，依一受结构结构中质点排列方式的限制，依一定方式所堆积的结构将以一定对称性和周定方式所堆积的结构将以一定对称性和周期性限制着每一步迁移的方向和自由行程期性限制着每一步迁移的方向和自由行程122.固体中质点扩散各向异性和扩散速率低1313二二 菲克定律与扩散动力学方程菲克定律与扩散动力学方程n n微观角度，固体扩散由于彼此结构差异微观角度，固体扩散由于彼此结构差异存在不同存在不同n n宏观角度宏观角度，大量扩散质点看作作无规布，大量扩散质点看作作无规布朗运动，介质中质点的扩散均遵循相同朗运动，介质中质点的扩散均遵循相同的统计规律的统计规律著名的菲克定律：著名的菲克定律：描述描述浓度场下物质扩散的动力学方程浓度场下物质扩散的动力学方程13二 菲克定律与扩散动力学方程1414n n当固体中存在的质点、不均匀分布的杂质当固体中存在的质点、不均匀分布的杂质或空位缺陷沿晶格运动或空位缺陷沿晶格运动n n菲克认为：菲克认为：流体和固体中质点的迁移在流体和固体中质点的迁移在微微观上观上不同，但从不同，但从宏观宏观连续介质的角度看，连续介质的角度看，遵守相同的统计规律：遵守相同的统计规律：在连续介质构成的在连续介质构成的扩散体系中扩散质的浓度扩散体系中扩散质的浓度c一般是空间一般是空间r和时和时间间t的函数的函数n n即：即：扩散体系中，参与扩散质点的浓度因扩散体系中，参与扩散质点的浓度因位置而异，且随时间变化位置而异，且随时间变化14当固体中存在的质点、不均匀分布的杂质或空位缺陷沿晶格运动2024/5/172024/5/171515n n菲克认为：菲克认为：扩散过程与热传导过程的相似扩散过程与热传导过程的相似n n菲克菲克Fick第一定律第一定律，即：扩散过程中，即：扩散过程中，单位单位时间时间内通过内通过单位截面单位截面的的扩散流量密度扩散流量密度（或质（或质点数）点数）J与扩散质点的浓度梯度成正比与扩散质点的浓度梯度成正比D：扩散系数（扩散系数（m2/s或或cm2/s）；）；负号：负号：粒子从粒子从浓度高处向浓度低处扩散（逆浓度梯度方向）浓度高处向浓度低处扩散（逆浓度梯度方向）Jx2023/8/315菲克认为：扩散过程与热传导过程的相似D：2024/5/172024/5/171616FickFickFickFick第一定律第一定律第一定律第一定律FickFickFickFick第一方程的局限性：第一方程的局限性：第一方程的局限性：第一方程的局限性：浓度随时间的变化没有得到反映浓度随时间的变化没有得到反映浓度随时间的变化没有得到反映浓度随时间的变化没有得到反映溶质原子流动的方向与溶质原子流动的方向与浓度降低的方向一致浓度降低的方向一致2023/8/316Fick第一定律Fick第一方程的局限性2024/5/172024/5/171717n n考虑三个方向的扩散考虑三个方向的扩散n n对于大部分玻璃或各向同性的多晶陶瓷材料，认对于大部分玻璃或各向同性的多晶陶瓷材料，认对于大部分玻璃或各向同性的多晶陶瓷材料，认对于大部分玻璃或各向同性的多晶陶瓷材料，认为扩散系数为扩散系数为扩散系数为扩散系数D D与方向无关，即与方向无关，即与方向无关，即与方向无关，即D Dx xD Dy yD Dz zn nD D可以看作衡量一个具有单位浓度梯度体系的可以看作衡量一个具有单位浓度梯度体系的可以看作衡量一个具有单位浓度梯度体系的可以看作衡量一个具有单位浓度梯度体系的扩扩扩扩散速率散速率散速率散速率的参数。的参数。的参数。的参数。在在在在202015001500范围，固体范围，固体范围，固体范围，固体D D10102 2101044cmcm2 2/s/s；D D不仅与温度有关，更依赖于物不仅与温度有关，更依赖于物不仅与温度有关，更依赖于物不仅与温度有关，更依赖于物质及其结构质及其结构质及其结构质及其结构2023/8/317考虑三个方向的扩散1818n n菲克第一定律：菲克第一定律：适用于适用于稳定扩散问题稳定扩散问题，即：扩散质点浓度分布不随时间变化。即：扩散质点浓度分布不随时间变化。即即dc/dx不随时间不随时间t变化变化n nFickFick第一定律：第一定律：第一定律：第一定律：不涉及扩散系统内部原子运动的微不涉及扩散系统内部原子运动的微不涉及扩散系统内部原子运动的微不涉及扩散系统内部原子运动的微观过程；扩散系数反映了扩散系统的特性，并不仅观过程；扩散系数反映了扩散系统的特性，并不仅观过程；扩散系数反映了扩散系统的特性，并不仅观过程；扩散系数反映了扩散系统的特性，并不仅仅取决于某一种组元的特性；不仅适用于扩散系统仅取决于某一种组元的特性；不仅适用于扩散系统仅取决于某一种组元的特性；不仅适用于扩散系统仅取决于某一种组元的特性；不仅适用于扩散系统的任何位置，而且适用于扩散过程的任一时刻的任何位置，而且适用于扩散过程的任一时刻的任何位置，而且适用于扩散过程的任一时刻的任何位置，而且适用于扩散过程的任一时刻18菲克第一定律：适用于稳定扩散问题，即：扩散质点浓度分布不1919n n实际体系中，一般扩散过程没有达到稳定状实际体系中，一般扩散过程没有达到稳定状态，规定的边界条件在变动，态，规定的边界条件在变动，dc/dx均在变均在变化，是化，是dx和和t的函数的函数n n即：即：扩散系统中每一点的扩散物质浓度将随扩散系统中每一点的扩散物质浓度将随时间变化时间变化叫做叫做非稳态扩散非稳态扩散。绝大多数扩。绝大多数扩散过程是非稳态扩散。散过程是非稳态扩散。n n随着扩散时间的继续而产生的随着扩散时间的继续而产生的浓度空间分布浓度空间分布菲克菲克Fick第二定律第二定律19实际体系中，一般扩散过程没有达到稳定状态，规定的边界条件2020FickFickFickFick第二定律的推导第二定律的推导第二定律的推导第二定律的推导一维情况，一维情况，一维情况，一维情况，体积元体积元体积元体积元 AxAx一维情况一维情况一维情况一维情况tt时间内，体积元中时间内，体积元中扩散物质的积累量扩散物质的积累量扩散物质的积累量扩散物质的积累量20Fick第二定律的推导一维情况，体积元 Ax一维情况2024/5/172024/5/172121假定扩散系数假定扩散系数D不随物质浓度而变化，不随物质浓度而变化，则：则：非稳态扩散：非稳态扩散：扩散浓度是时间和距离的函数扩散浓度是时间和距离的函数2023/8/321假定扩散系数D不随物质浓度而变化，则：2222n nFick第二定律第二定律即不稳定扩散的基本动力学即不稳定扩散的基本动力学方程，它表达了在某一位置，扩散元素浓方程，它表达了在某一位置，扩散元素浓度随时间变化度随时间变化的速率与该位置上浓度对的速率与该位置上浓度对x的的二次导数的关系二次导数的关系n n是一个普遍的表达方程，它包含了扩散第是一个普遍的表达方程，它包含了扩散第一方程一方程。当令。当令dC/dt=0时，该式就简化为时，该式就简化为Fick第一定律。第一定律。22Fick第二定律即不稳定扩散的基本动力学方程，它表达了在2323n nFick定律的应用定律的应用n n气体通过平面玻璃（陶瓷）隔板的渗透气体通过平面玻璃（陶瓷）隔板的渗透稳稳定扩散定扩散n n【例例】一玻璃隔板，两边恒压一玻璃隔板，两边恒压P1、P2（低），（低），稳定状态时，气体以恒速通过隔板渗透，求扩稳定状态时，气体以恒速通过隔板渗透，求扩 散通量？散通量？如何建立浓度梯度模型！如何建立浓度梯度模型！P2P1s1s2J23Fick定律的应用P2P1s1s2J2424n nFick定律的应用定律的应用n n玻璃板表面浓度由气体在玻璃中的溶解度玻璃板表面浓度由气体在玻璃中的溶解度玻璃板表面浓度由气体在玻璃中的溶解度玻璃板表面浓度由气体在玻璃中的溶解度s s决定决定决定决定n n P P2 2P P1 1s1s2JSievertSievert定律：定律：定律：定律：双原子气体分子双原子气体分子双原子气体分子双原子气体分子 可可可可见见：实际应实际应用中用中用中用中为为减少减少减少减少氢氢气等气体渗透措施：气等气体渗透措施：气等气体渗透措施：气等气体渗透措施：选选用金属用金属用金属用金属D D D D较较小、小、小、小、s s s s较较小、增加壁厚、小、增加壁厚、小、增加壁厚、小、增加壁厚、球形容器球形容器球形容器球形容器24Fick定律的应用P2P1s1s2JSievert定律n n球形容器：球形容器：n n相同体积，表面积最小相同体积，表面积最小r1r2P2P1右边积分球形容器：r1r2P2P1右边积分n nFick定律的定律的应用用n n【例例例例】设设有以直径有以直径有以直径有以直径为为3cm3cm的厚壁管道，被厚度的厚壁管道，被厚度的厚壁管道，被厚度的厚壁管道，被厚度为为0.001cm0.001cm的的的的铁铁膜片隔开，在膜片一膜片隔开，在膜片一膜片隔开，在膜片一膜片隔开，在膜片一边边，每，每，每，每cmcm3 3中含中含中含中含5105101919个个个个N N原子，原子，原子，原子，该该气体不断通气体不断通气体不断通气体不断通过过管道，在膜片另管道，在膜片另管道，在膜片另管道，在膜片另一一一一边边的气体中，每的气体中，每的气体中，每的气体中，每cmcm3 3中含中含中含中含1101101818个个个个N N原子。若原子。若原子。若原子。若N N在在在在铁铁中的中的中的中的扩扩散系数散系数散系数散系数为为4104107 7cmcm2 2/s/s，计计算通算通算通算通过铁过铁膜片膜片膜片膜片的的的的N N原子原子原子原子总总数数数数n n 原子总数原子总数原子总数原子总数D D、A AFick定律的应用原子总数D、A2024/5/172024/5/17杨为中杨为中 材材 料料 物物 理理 化化 学学2727指导实际：指导实际：高压储气罐气体渗透问题若高高压储气罐气体渗透问题若高N N原原子一侧不连续补充气体，子一侧不连续补充气体，N N原子将渗透殆尽原子将渗透殆尽2023/8/3杨为中 材 料 物 理 化 学27指导实际：n n【例例】制造晶体管的方法之一是将杂质原制造晶体管的方法之一是将杂质原子扩散进入半导体材料，如果单晶硅中，子扩散进入半导体材料，如果单晶硅中，硅片厚度为硅片厚度为0.1cm，其中每，其中每107个硅原子中含个硅原子中含有一个磷原子，而表面上是涂有每有一个磷原子，而表面上是涂有每107个硅个硅原子中有原子中有400个磷原子，计算浓度梯度：个磷原子，计算浓度梯度：1）每厘米上原子百分数？）每厘米上原子百分数？2）每厘米上单）每厘米上单位体积的原子百分数。位体积的原子百分数。注：硅注：硅注：硅注：硅-晶格常数晶格常数晶格常数晶格常数a=0.5431nma=0.5431nm【例】制造晶体管的方法之一是将杂质原子扩散进入半导体材料，如内部内部P浓度浓度表面表面P浓度浓度浓度梯度浓度梯度内部P浓度表面P浓度浓度梯度晶胞体积晶胞体积Si-金刚石结构，单位晶胞中含有8个Si107个Si所占体积：浓度梯度浓度梯度晶胞体积Si-金刚石结构，单位晶胞中含有8个Si107个Si9-2扩散的热力学条件扩散的热力学条件n nFick定律定律定向宏观物质流定向宏观物质流-浓度梯度导浓度梯度导致致大量扩散质点无规布朗运动的必然结果大量扩散质点无规布朗运动的必然结果n n不存在外场时，粒子的不存在外场时，粒子的不存在外场时，粒子的不存在外场时，粒子的迁移迁移迁移迁移-热振动引起热振动引起热振动引起热振动引起n n外场作用，粒子的迁移外场作用，粒子的迁移外场作用，粒子的迁移外场作用，粒子的迁移-形成定向的扩散流形成定向的扩散流形成定向的扩散流形成定向的扩散流n n故：形成定向扩散流必需要有推动力，通故：形成定向扩散流必需要有推动力，通常由常由浓度梯度浓度梯度提供的提供的n n即使没有浓度梯度，在其他力场、电场等即使没有浓度梯度，在其他力场、电场等因素下，也可能出现定向物质流（扩散）因素下，也可能出现定向物质流（扩散）9-2 扩散的热力学条件Fick定律定向宏观物质流-浓度n n无浓度梯度时的扩散无浓度梯度时的扩散n n低浓度低浓度高浓度高浓度n n玻璃分相、晶界上溶质偏聚、固溶体中玻璃分相、晶界上溶质偏聚、固溶体中元素偏聚元素偏聚n n热力学原理：扩散的热力学原理：扩散的根本驱动力根本驱动力化学位化学位（势）梯度（势）梯度n n化学位梯度包括一切影响扩散的外场：化学位梯度包括一切影响扩散的外场：电场、磁场、应力场等电场、磁场、应力场等n n仅当化学位梯度为仅当化学位梯度为零零时，系统扩散达平衡时，系统扩散达平衡无浓度梯度时的扩散9-3扩散的微观规律和扩散机构扩散的微观规律和扩散机构n n一一.扩散的布朗运动理论扩散的布朗运动理论n nFick定律从定律从宏观上宏观上定量描述了扩散行为，定量描述了扩散行为，将浓度以外的一切影响因素均包括于扩将浓度以外的一切影响因素均包括于扩散系数散系数D之中，之中，但并未赋予其明确意义但并未赋予其明确意义9-3 扩散的微观规律和扩散机构一.扩散的布朗运动理论扩散的布朗运动理论扩散的布朗运动理论n n固体中质点扩散本质固体中质点扩散本质无规布朗运动无规布朗运动n n与浓度梯度无关与浓度梯度无关n n无序扩散无序扩散热起伏、热活化，质点迁移热起伏、热活化，质点迁移n n三维周期性势垒，晶体结构束缚三维周期性势垒，晶体结构束缚n n爱因斯坦（爱因斯坦（Einstein，1905）首先用统计方首先用统计方法得到扩散方程，并使法得到扩散方程，并使宏观扩散系数与质点的宏观扩散系数与质点的微观运动微观运动得到联系得到联系扩散的布朗运动理论固体中质点扩散本质无规布朗运动3535爱因斯坦扩散方程扩散的布朗运动理论爱因斯坦扩散方程扩散的布朗运动理论112233nnor r:or r:or r:or r:分分子在相继两子在相继两次运动之间次运动之间通过的路程通过的路程无序扩散系数以无序扩散系数以跃迁距离、跃迁距离、跃迁频率跃迁频率为基本因素为基本因素D D：扩散系数；：扩散系数；：扩散系数；：扩散系数；r r：原子迁移自由程；：原子迁移自由程；：原子迁移自由程；：原子迁移自由程；f f：原子的有效跃迁频率：原子的有效跃迁频率：原子的有效跃迁频率：原子的有效跃迁频率35爱因斯坦扩散方程扩散的布朗运动理论123no3636扩散的布朗运散的布朗运动理理论确定了确定了Fick定律中定律中D的的物理含物理含义，为从微从微观角度研究角度研究扩散系数奠散系数奠定了物理基定了物理基础扩散系数既反映了散系数既反映了扩散介散介质的微的微观结构；又构；又反映了反映了质点的点的扩散机构散机构(f、r不同），不同），它是它是建立建立扩散微散微观机制与宏机制与宏观扩散系数之散系数之间的的桥梁梁36 扩散的布朗运动理论确定了Fick定律中D的物理含义，3737扩散种类扩散种类n n（1 1）按）按）按）按浓浓度均匀程度分：度均匀程度分：度均匀程度分：度均匀程度分：互互互互扩扩散：散：散：散：有有有有浓浓度差的空度差的空度差的空度差的空间扩间扩散；散；散；散；（在多元体系中（在多元体系中（在多元体系中（在多元体系中扩扩散）散）散）散）自自自自扩扩散散散散：没有：没有：没有：没有浓浓度差的度差的度差的度差的扩扩散（散（散（散（原子在自己原子在自己原子在自己原子在自己组组成的晶体中成的晶体中成的晶体中成的晶体中进进行行行行扩扩散）散）散）散）n n（2 2）按按按按扩扩散方向分：散方向分：散方向分：散方向分：由高由高由高由高浓浓度区向低度区向低度区向低度区向低浓浓度区的度区的度区的度区的扩扩散叫散叫散叫散叫顺扩顺扩散，又称下坡散，又称下坡散，又称下坡散，又称下坡扩扩散、散、散、散、正常正常正常正常扩扩散：散：散：散：本征本征本征本征扩扩散系数散系数散系数散系数D Di i0 0，引起溶，引起溶，引起溶，引起溶质质均匀化均匀化均匀化均匀化 由低由低由低由低浓浓度区向高度区向高度区向高度区向高浓浓度区的度区的度区的度区的扩扩散叫逆散叫逆散叫逆散叫逆扩扩散，又称散，又称散，又称散，又称上坡上坡上坡上坡扩扩散、散、散、散、反常反常反常反常扩扩散（逆散（逆散（逆散（逆扩扩散）散）散）散）：D Di i0 0；结结果：引起溶果：引起溶果：引起溶果：引起溶质质偏聚或分偏聚或分偏聚或分偏聚或分相相相相37扩散种类（1）按浓度均匀程度分：互扩散：有浓度差的空间3838n n（3）按扩散性质分：）按扩散性质分：本征（自）扩散：本征（自）扩散：由热涨落引起本征热缺陷作由热涨落引起本征热缺陷作为迁移载体的扩散；为迁移载体的扩散；非本征扩散：非本征扩散：由非热引起，如固溶杂质（电价由非热引起，如固溶杂质（电价或浓度）缺陷或非化学计量缺陷导致的扩散或浓度）缺陷或非化学计量缺陷导致的扩散n n（4）按扩散有序度分：按扩散有序度分：有序扩散：有序扩散：有规律、有序进行的扩散有规律、有序进行的扩散无序扩散：无序扩散：符合布朗扩散理论，无取向推动力，符合布朗扩散理论，无取向推动力，质点迁移完全无序、随机，只表示质点离开质点迁移完全无序、随机，只表示质点离开平衡位置的频率程度，扩散结构并不引起定平衡位置的频率程度，扩散结构并不引起定向扩散流向扩散流38（3）按扩散性质分：3939n n（5）按扩散位置分：）按扩散位置分：体扩散，晶界、表面扩散、位错扩散等体扩散，晶界、表面扩散、位错扩散等n n（1）（）（4）均为体扩散（内扩散）：均为体扩散（内扩散）：在晶粒在晶粒内部进行的扩散内部进行的扩散（一般通过（一般通过点缺陷运动点缺陷运动进行）进行）n n在晶体位错、晶界、表面上组分活动剧烈的地在晶体位错、晶界、表面上组分活动剧烈的地方，扩散更易进行方，扩散更易进行n n表面扩散：表面扩散：表面扩散：表面扩散：在表面进行的扩散在表面进行的扩散在表面进行的扩散在表面进行的扩散n n晶界扩散：晶界扩散：晶界扩散：晶界扩散：沿晶界进行的扩散沿晶界进行的扩散沿晶界进行的扩散沿晶界进行的扩散n n表面扩散和晶界扩散的扩散速度比体扩散要快表面扩散和晶界扩散的扩散速度比体扩散要快得多，一般称前两种情况为短路扩散。此外还得多，一般称前两种情况为短路扩散。此外还有沿位错线的扩散，沿层错面的扩散等。有沿位错线的扩散，沿层错面的扩散等。39（5）按扩散位置分：n n6)本征扩散、非本征扩散本征扩散、非本征扩散n n本征本征热起伏引起点缺陷热起伏引起点缺陷-扩散扩散n n空位空位n n间隙间隙n n非本征非本征杂质、非化学计量杂质、非化学计量6)本征扩散、非本征扩散4141n n二二.质点迁移的微观机制质点迁移的微观机制n n晶体中，质点迁移方式（扩散）受结构对晶体中，质点迁移方式（扩散）受结构对称性、周期性限制称性、周期性限制n n主要迁移机构：主要迁移机构：空位机构空位机构 和和 间隙机构间隙机构41二.质点迁移的微观机制4242n n1.空位机构：空位机构：以空位迁移作为媒介以空位迁移作为媒介n n本征缺陷、杂质不等价置换本征缺陷、杂质不等价置换本征缺陷、杂质不等价置换本征缺陷、杂质不等价置换空位空位空位空位n n空位周围格点上原子或离子跳入空位：空位与空位周围格点上原子或离子跳入空位：空位与空位周围格点上原子或离子跳入空位：空位与空位周围格点上原子或离子跳入空位：空位与跳入的原子分别作了相反方向迁移，跳入的原子分别作了相反方向迁移，跳入的原子分别作了相反方向迁移，跳入的原子分别作了相反方向迁移，空位移动空位移动空位移动空位移动方向为原子（离子）移动的反方向方向为原子（离子）移动的反方向方向为原子（离子）移动的反方向方向为原子（离子）移动的反方向421.空位机构：以空位迁移作为媒介4343n n空位机构要求的畸变能不大空位机构要求的畸变能不大n n是各种离子化合物、氧化物及合金中是各种离子化合物、氧化物及合金中的主要扩散机制的主要扩散机制n n凡是较大离子扩散以空位机构占支配凡是较大离子扩散以空位机构占支配43空位机构要求的畸变能不大4444n n2.间隙机构：间隙机构：晶体内填隙原子（离子）晶体内填隙原子（离子）沿间隙位置移动沿间隙位置移动442.间隙机构：晶体内填隙原子（离子）沿间隙位置移动4545n n填隙离子迁移将造成较大的晶格畸变，填隙离子迁移将造成较大的晶格畸变，构成势垒，使得间隙机构不易进行构成势垒，使得间隙机构不易进行n n仅当填隙原（离）子半径比基质原（离）仅当填隙原（离）子半径比基质原（离）子小得多时，或间隙多子小得多时，或间隙多/大时，采取间大时，采取间隙机制进行扩散隙机制进行扩散n nCaF2中存在阴离子中存在阴离子F-间隙扩散机制间隙扩散机制n n否则，否则，原子跃迁将引起较大局部晶格畸原子跃迁将引起较大局部晶格畸变，变，间隙机制将被其他机制取代间隙机制将被其他机制取代45填隙离子迁移将造成较大的晶格畸变，构成势垒，使得间隙机构4646n n三三.扩散系数扩散系数n n晶体中微观扩散机构不同，则质点扩散晶体中微观扩散机构不同，则质点扩散的扩散系数也不同，的扩散系数也不同，按爱因斯坦方程可按爱因斯坦方程可建立扩散机构与系数的关系建立扩散机构与系数的关系46三.扩散系数n n有效跃迁两条件有效跃迁两条件n n原子跃迁频率，跃过能垒原子跃迁频率，跃过能垒原子跃迁频率，跃过能垒原子跃迁频率，跃过能垒GG的能力的能力的能力的能力n n易位概率，质点周围空位概率，易位概率，质点周围空位概率，易位概率，质点周围空位概率，易位概率，质点周围空位概率，空位浓度空位浓度空位浓度空位浓度A-比例系数：质点周围可供迁移位置数，比例系数：质点周围可供迁移位置数，如：体心立方格子如：体心立方格子A=8；面心立方格子面心立方格子A=12-质点跃迁频率，单位质点跃迁频率，单位t跃迁过能垒次数跃迁过能垒次数Nv-空位浓度（空位概率）空位浓度（空位概率）有效跃迁两条件A-比例系数：质点周围可供迁移位置数，几何因子几何因子取决于晶体结构，如取决于晶体结构，如fcc，为，为1几何因子 取决于晶体结构，如fcc，为1