Влияние дефектов кристаллической решетки на коэффициент диффузии

Лекция 12

Энтропия системы, влияющая на коэффициент диффузии согласно (382),

зависит от степени разупорядоченности этой системы, т. е.
от характера взаимного расположения атомов в кристаллической
решетке. Поэтому коэффициент диффузии различен для различных
кристаллографических направлений в кристалле (анизотропия дифф-узии). Для направления, в котором атомные плоскости располагаются более компактно (малые
значения а), коэффициент диффузии меньше.

Влияние дефектов структуры на коэффициент диффузии может
быть существенным для материалов, используемых при производстве ЭС. При этом коэффициент
диффузии зависит от градиента
поля напряжений и размеров диффундирующей частицы. На-
пример, в бинарной системе, со-
стоящей из относительно больших и малых атомов, под действием градиента напряжений происходит их разделение (сегрегация) таким образом, что малые атомы
диффундируют в зону сжатия, а большие — в зону растяжения.
Такой процесс называется восходящей диффузией. Второе уравнение Фика, учитывающее влияние дефектов структуры, можно за-
писать в виде

(389)

где — эффективной коэффициент диффузии при наличии внут-
ренних напряжений, возникающих в твердом растворе.

Коэффициент

(390)

где — коэффициент диффузии при бесконечно малой концентрации диффундирующего элемента; — модуль сдвига; — модуль
объемного сжатия; (, — периоды решетки идеального и реального кристаллов).

Из соотношений (389) и (390) следует, что эффективный коэффициент диффузии зависит от структуры твердого тела, концентрации и других технологических факторов.

При сравнительно невысоких температурах восходящая диффузия может приводить к заметным флуктуациям концентрации примесных компонентов и процессам, сопутствующим этим явлениям.

Внутри поликристаллического твердого тела распределение диффузионных потоков соответствует распределению внутренних напряжений (или искажений решетки) поскольку концентрация этих напряжений в области единичных дислокаций, вдоль границ кристаллитов (зерен) и в объеме кристаллитов различна, диффузионные потоки в этих областях также различны. Скорость диффузии вдоль линий единичных краевых дислокаций значительно выше, чем в других направлениях. Этот эффект часто называют трубчатой диффу-
зией, так как предполагается, что диффузия происходит вдоль кана-
лов, осями которых являются линии краевых дислокации. Ускорение диффузионных процессов вдоль дислокаций происходит потому, что последние выполняют функцию источников вакансий, способствующих диффузии.

Если рассматривать границы кристаллитов в поликристаллах как области сосредоточения дислокаций, учитывая при этом эффекты максимальной разупорядоченности структуры у границ, то в области этих границ будут наблюдаться большие диффузионные потоки, чем внутри кристаллитов. Экспериментально было установлено, что скорость диффузии вдоль границы кристаллитов в 10³ —10⁶ раз больше, чем в их объеме.

Механизм диффузии в поликристалле таков, что первоначально примесь перемещается вдоль границ зерен на значительные расстояния, а затем диффундирует в глубь зерен в направлении, перпендикулярном их границе. На рис. Д.11 показано распределение концентрации диффундирующего компонента в окрестности границы между зернами.

Диффузия от границы зерен в глубь кристаллита описывается для объема кристаллита

(391)

для его границ

(392)

где D_V, D_Г — коэффициенты диффузии в объеме кристаллита и по его границам.

В реальных структурах, где концентрация примесей в окрестности границ зерен больше, чем в их объеме , наблюдается
диффузия примесей от границ зерен в их объем. При этих условиях
концентрация примеси в кристаллите получит некоторое прираще-
ние . На небольших расстояниях от границ зерен (рис. Д.11)
концентрация больше той, которая определяется урав-
нением (392). Следовательно, большая часть примеси попадает в
объем кристаллита, проходя сначала по границе зерен, а затем пе-
ремещаясь от границы в направлении оси х.

Степень разупорядоченности атомов по границам зерен зависит
от их взаимной ориентации. При этом коэффициент диффузии воз-
растает по мере увеличения поверхностной энергии. В пределах за-
данной границы диффузия обладает резко выраженной анизотропией. Она максимальна вдоль линий дислокаций; в перпендикуляр-
ном направлении ее значение практически не отличается от значения объемной диффузии.

Дата добавления: 2014-01-05