表面技术-固体表面原子的扩散

1、固体表面原子的扩散,机械设计及理论 陈舰,1,2,2.3 固体表面原子的扩散,气体扩散,液体扩散,3,高碳含量区域,低碳含量区域,Fe-C合金,2.3 固体表面原子的扩散,表面原子的扩散,表面原子扩散是指原子、离子、分子和小的原子簇等单个实体在物体表面上运动。其基本原因与体相中的扩散一样，是通过热运动而活化的。 温度升高，原子振动幅度增大，但一般不足以造成原子离开平衡位置。造成扩散是因为： 一方面，原子热运动的不均匀性，部分高能的可扩散 表面台阶、曲折以及位错、空位、吸附原子等缺陷的能量高,2.3 固体表面原子的扩散,4,扩散：由构成物质的微粒（离子、原子、分子）的热运动而产生的物质迁移现象称

2、为扩散。,表面扩散的理论还很缺乏，表面扩散可看做是多步过程，即原子离开其平衡位置沿表面运动，直到找到其新的平衡位置。,假定只有吸附原子的扩散，该原子为了跳到相邻的位置需要一定的热能。因为吸附原子在起始和跳跃终结时均只能占据平衡位置，那么在这两个位置之间区域，原子一定处于较高的能态。,2.3 固体表面原子的扩散,5,表面原子的扩散,6,从一个间隙位置跳跃到其近邻的另一个间隙位置。 (left)面心立方结构的八面体间隙及（100）晶面 (right) 原子的自由能与其位置的关系,2.3 固体表面原子的扩散,左图（a）为面心立方结构的八面体间隙中心位置，左图（b）为面心立方结构（100）晶面上的原子

3、排列。图中1代表间隙原子的原来位置，2代表跳跃后的位置。在跳跃时，必须把原子3与原子4或这个晶面上下两侧的相邻原子推开，从而使晶格发生局部的瞬时畸变，这部分畸变就构成间隙原子跳跃的阻力，这就是间隙原子跳跃时所必须克服的能垒。 如右图所示，间隙原子从位置1跳到位置2的能垒GG2-G1，因此只有那些自由能超过G2的原子才能发生跳跃。,随机行走扩散理论,假定原子运动方向是任意的，原子每次跳跃的距离是等长的，并等于最近的距离d。设D是扩散系数，则：,式中，T为吸附热力学温度；KB为Boltzman常数；Hm为扩散势垒的高度或迁移能；Hf为吸附原子的生成能； 0为原子冲击势垒的频率；b为坐标的方向数；z

4、为配位数。 D与温度T成指数关系，实验验证大部分固体都是如此。 D是一个重要的参数，可求得扩散时间，而且lnD对1/T作图可测定表面扩散活化能。,2.3 固体表面原子的扩散,7,宏观扩散的扩散系数,在实际的表面上，不是一个原子而是许多原子同时进行扩散。原子的浓度大约在10101013cm-2范围，因此扩散距离是表面原子扩散长度统计数字的平均值，必须用宏观参数定义扩散过程。 假定不同能态吸附原子之间存在着玻尔兹曼分布为特征的平衡，则扩散系数为：,式中，Q为整个扩散过程中的活化能；D0为扩散常数，可在10-3103cm/s一个很宽的范围内变动。,2.3 固体表面原子的扩散,8,表面扩散定律,A、C

5、处的浓度分别为CA、CC；NB为B排在Ld面积中所占的原子数。,2.3 固体表面原子的扩散,9,表面扩散定律,假定不是稳定扩散，dt时间内，吸附原子在B区中的净增加量为流入和流出B区域的原子数的差：,在B区域中净增加的浓度C为：,Fick第二扩散定律的一维形式。具体应用时可通过边界条件和初始条件求出扩散原子的浓度分布函数C=f(x,t),即：,2.3 固体表面原子的扩散,10,表面的自扩散和多相扩散,自扩散：在一个单组分的基底上同种原子的表面扩散 扩散物质不依赖它本身的浓度梯度，而仅仅是由于热振动而产生的原子迁移过程 多相扩散：表面上其它吸附原子的扩散,2.3 固体表面原子的扩散,11,金属表

6、面的自扩散,在自扩散中，无论本征扩散系数或传质扩散系数，它们对于了解表面缺陷的情况都很重要。 如果求得此两扩散系数与温度的关系，就可以确定扩散缺陷的生成能和迁移能。,2.3 固体表面原子的扩散,12,多相表面扩散,多相表面扩散大多借助场电子发射显微镜和放射性示踪原子技术，一般可观察到三种扩散： 一是物理吸附气体的扩散，扩散温度很低，活化能很低； 二是覆盖度为0.31个单层时，扩散发生在中温到高温之下，是化学吸附物类的扩散，测量的活化能高； 三是小覆盖的情况，活化能比二还要高，仍属于化学吸附物类的扩散，扩散温度更高。,2.3 固体表面原子的扩散,13,14,表面向体内扩散,2.3 固体表面原子的扩散,表面向体内扩散是严格按照Fick扩散定律进行的。,工