第六章 固体中的扩散

第六章第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节

固体中的扩散绪言 固体中的扩散机理 扩散定律 互扩散与相关系数 离子晶体中的扩散 短程扩散 扩散系数的实验测定1

一、扩散

第一节 绪 言 一、扩散

二、晶格中原子或离子的扩散过程 三、固体中扩散的研究内容

扩散现象是由于物质中存在浓度梯度、化学位梯度、温度梯度和其它梯度所引起的杂质原子、基 质原子或缺陷的物质输运过程。

从热力学的角度看，只有在绝对零度下才

没有扩散。通常情况下，对于任何物质来说，不论是

处于哪种聚集态，均能观察到扩散现象：如气体分子的运动和液体中的布朗运动 都是明显的扩散现象。

在固体中，也会发生原子的输运和不断混合的过程。但是，固体中原子的扩散要比气体或液体中

慢得多。这主要是由于固体中原子之间有一定的结构和很大的内聚力的原故。 尽管如此，只要固体中的原子或离子分布不均

匀，存在着浓度梯度，就会产生使浓度趋向于均匀的定向扩散。4

二、晶格中原子或离子的扩散过程1、由于热起伏的存在，晶体中的某些原子 或离子由于剧烈的热振动而脱离格点，从而进 入晶格中的间隙位置或晶体表面，同时在晶体

内部留下空位。

2、这些处于间隙位置上的原子或原格点上 留下来的空位，可以从热涨落的过程中重新获取 能量，从而在晶体结构中不断地改变位置而出现 由一处向另一处的无规则迁移运动。

在固体器件的制作过程中，利用扩散作用， 并不需要将晶体熔融，便可以把某种过量的组

分掺到晶体中去，或者在晶体表面生长另一种晶体。

三、固体中扩散的研究内容1、是对扩散表象学的认识，即对扩散的宏观现象的研究，如对物质的流动和浓度的变化进

行实验的测定和理论分析，利用所得到的物质输运过程的经验和表象的规律，定量地讨论固相反 应的过程；

2、是对扩散的微观机理的认识，把扩散与 晶体内原子和缺陷运动联系起来，建立某些

扩散机理的模型。

第二节 固体中的扩散机理一、 扩散的基本特点①流体中的扩散

②固体中的扩散③晶体中原子的扩散

①流体中的扩散质点的迁移完全、随机地朝三维空间的任

意方向发生，每一步迁移的自由行程也随机地

决定于该方向上最邻近质点的距离。扩散质点的无规行走轨迹11

流体的质点密度 越低(如在气体中), 质点迁移的自由程也就越大。 因此发生在流体中的扩散传质过程往 往总是具有很大的速率和完全的各向同性。

②固体中的扩散A、固体中明显的质点扩散 常开始于较高的

温

度，但低于固体的熔点。原因：构成固体的所有质点均束缚在三维周期 性势阱中，质点之间的相互作用强，故质点的每一

步迁移必须从热涨落或外场中获取足够的能量以克服势阱的能量。13

B、固体中的质点扩散往往具有各向异性和 扩散速率低的特点。 原因：固体中原子或离子迁移的方向和自由

行程受到结构中质点排列方式的限制，依一定方式所堆积成的结构将以一定的对称性和周期性 限 制着质点每一步迁移的方向和自由行程。

如右图所示，处于平

面点阵内间隙位的原子，只存在四个等同的迁移方

向，每一迁移的发生均需获取高于能垒△G的能量，

迁移自由程则相当于晶格常数大小。间隙原子扩散势场示意图15

③晶体中原子的扩散在晶体中，由于晶格点阵的热振动，点缺陷一 直是在运动中，这种与周围原子处于平衡状态的无

规则行走称作自扩散。有杂质原子参加的扩散，叫做杂质扩散。

晶体内点缺陷的运动，叫做体扩散。