Диффузия – тепловое самопроизвольное перемещение частиц в газах, жидкостях и твердых телах. Из термодинамики известно, что перемещение частиц в направлении убыли их концентрации приводит к уменьшению свободной энергии и возможно самопроизвольно. В простых веществах из чистых элементов и в химических соединениях диффузия проявляется как случайное перемещение собственных частиц и называется самодиффузией. Характеризуется коэффициентом диффузии D– числом атомов, проходящих в единицу времени через единичную площадку перпендикулярную направлению движения при заданном градиенте концентрации. Уравнение диффузии в одномерном случае можно записать в виде:
, где n – число частиц, 
– градиент концентрации.Экспериментально
можно исследовать самодиффузию методом послойного анализа, либо используя
радиоактивный изотопы.
Механизм диффузии состоит в последовательном перескоке частиц в соседние положения через потенциальный барьер. Наличие дефектов способствует созданию вакансий, дислокаций и т.д. В поликристалле скорость диффузии много выше, поскольку диффузия по границам зерен осуществляется значительно быстрее. При высоких температурах преобладает объёмная диффузия и значение коэффициента диффузии в поли- и монокристаллических материалах сближаются. Для коэффициента диффузии могут быть записаны следующие выражения:
, где 
и 
.
Здесь Ea – высота потенциального барьера, β – геометрический параметр, который зависит от типа химических свойств, Tпл – температура плавления. При температуре близкой к температуре плавления величина 3β2 у металлов составляет 15-20 у полупроводников 30, у неорганических диэлектриков более 40. Разница в скоростях диффузии широко используется в технике интегральных схем. При легировании полупроводника путем диффузии часть его поверхности маскируется диэлектриком.
В связи с широким применением в радиоэлектронных устройствах тонких металлических и полупроводниковых пленок диффузионное взаимодействие приобретает очень большое значение. Структура тонкопленочных материалов дефектна, что способствует ускорению диффузии и повышает вероятность изменения химических свойств пленки. Взаимодиффузия обеспечивает прочную адгезию за счет взаимопроникновения частиц в пограничные слои вещества. Вредное влияние взаимодиффузии может заключаться в деградации контактов вследствие образования новых химических фаз. Посокольку диффузия зависит от наличия дефектов в структуре материала, ее можно использовать для очистки вещества от вредных примесей. Для этого одну сторону кристалла полируют и очищают, а другую грубо шлифуют – примеси перетекают в направлении грубо обработанной поверхности, так как в дефектной зоне скорость диффузии быстрее.
Одним из основных методов получения металлов и их сплавов является кристаллизация из расплава, который может представлять собой как одно-, так и многокомпонентную систему.
Напомним, что в термодинамике под системой понимается группа взаимодействующих веществ. В качестве системы может выступать металлический сплав, твердый раствор, многослойная структура металл- диэлектрик-п/проводник. Компонентом системы называется вещество, участвующее в ее образовании и способное существовать самостоятельно. В сплаве это могут быть отдельные металлы, в стеклах –входящие в состав оксиды металлов, а также неметаллические примеси. Фазой называется часть системы, имеющая по всему объему одинаковый состав и свойства, отделенная от других частей реально существующей поверхностью раздела. Если система состоит из одной фазы - она называется гомогенной, из нескольких – гетерогенной. В соответствии с правилом фаз Гиббса число фаз n существующих в термодинамической системе в состоянии термодинамического равновесия не может превосходить число независимых компонент k в системе на величину большую, чем число сил r, действующих на систему: n≤k+r, где – число сил. При заданных р и Т r=2 n ≤ k + 2
При охлаждении металлического расплава ниже температуры плавления начинается процесс образования кристаллитов по всему объему, то есть металлы получают в поликристаллическом состоянии. При получении металлического сплава исходный расплав из нескольких компонент представляет собой гомогенный раствор, однако при охлаждении и затвердевании гомогенность системы может нарушаться. Если металлы имеют близкие параметры решетки, а число валентных электронов отличается не больше, чем на 1 они могут образовывать между собой твердые растворы замещения – когда атомы одного металла замещают атомы другого в узлах решетки или внедрения – когда атомы одного металла попадают в междоузлия решетки другого. Твердые растворы замещения в ряде случаев могут существовать при любых соотношениях исходных компонент. Твердыми растворами замещения являются сплавы, образованные парами Au-Ag, Fe-Ni, Ca-Ni и рядом других элементов близко расположенных в периодической таблице Менделеева. В соответствии с диаграммой состояния системы с полной растворимостью при охлаждении сплава состава х начинает выделяться поликристаллическая твердая фаза, которая продолжает формироваться вплоть до температуры, определяемой пересечением прямой x=const с кривой солидуса. Солидиус – линия, определяющая температуру при которой заканчивается переход вещества в твердую фазу, ликвидус – в жидкую.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.
