扩散系数

第三节扩散系数通常，扩散系数可作为表征扩散的一个参量。它不仅与扩散机构，也与扩散介质和外部条件有关。因此可以认为扩散系数是物质的一个物性指标。一、无序扩散系数扩散是由于热运动引起的物质粒子传递迁移的过程。对于晶体来说，这就是原子或缺陷从一个平衡位置到另一个平衡位置跃迁的过程，而且是许多原子进行无数次跃迁的结果。(1)knjnjkjnjjnnnnnSSSRRRSSSR111122212图7扩散粒子在t时间内经n次无序跃迁后的净位移示意图若各个跃迁矢量相等且方向无序的，如在晶体中—样，即|S1|=|S2|=…|Sj|=S,则式(1)中第二项为零，因为Sj和Sk平均值的正值和负值是大抵相等的，因此R2n=nS2（2）现在进一步讨论这种无序跃迁和扩散系数之间的关系。如图2所示。参考平面平均浓度平均浓度CnRCdxdcⅠⅡRn图8存在有dc/dx浓度梯度的介质中，粒子通过参考平面相互反向扩散的数目示意图在时间t内，从I区通过参考平面跃迁的粒子数N=RnC/6。自Ⅱ区反向通过参考平面跃迁的粒子数故单位时间，单位截面积上的净扩散粒子数为与菲克第一定律比较，则扩散系数Dr为Dr=nS2/6t=qS2/6式中:q(n/t)是单位时间内原子的跃迁次数，S叫做跃迁距离)(61nnRdxdcCRNdxdctnSdxdctRtNJn6622静下面讨论影响q的因素扩散机构的影响——体现在缺陷浓度Nd上；可供质点跃迁的结点数A;质点可能的跃迁频率γ；则用数学式表示：q=NdAγ则Dr=NdAγS2/6举例：体心立方晶体，空位位于体心处，空位扩散是无序扩散。则可供质点跃迁的结点数A=8跃迁距离S=31/2a0/2空位扩散系数Dr=NdAγS2/6=a0Ndγ推广为了使Dr=NdAγS2/6=a0Ndγ适用于不同的结构状态，引入晶体的几何因子α，则无序扩散系数又可表示为：Dν=αa02Nvγ此为无序扩散系数的数学表达式，即适用于空位扩散机构，也适用于间隙扩散机构，α是几何因子，由晶体结构决定，如体心立方晶体为1。二、自扩散与相关系数1．自扩散所谓自扩散是指原子(或离子)以热振动为推动力通过由该种原子或离子所构成的晶体，向着特定方向所进行的迁移过程。与自扩散效应相对应的扩散系数叫自扩散系数(self—diffusioncoefficient)。为了测定自扩散系数，可用放射性同位素作示踪原子。2．相关系数建立在无规行走(RandomWalk)模型基础上的空位扩散和间隙扩散均是假定晶体内各原子的跃迁是完全独立的、自由的和无规则的。但是，示踪原子的自扩散情况就不是这样。设想在一个立方面心格子中，示踪原子一旦靠近空位，就得到跃迁的可能性，但是由于在空位周围邻接着另外11个普通原子，那么示踪原子跳进该空位的几率就是1／12，示踪原于跳进去以后，在它自己原采的格位上留下一个空位，空位又以相同的几率向它周围任何一个格位跃迁，示踪原子也跟着参与扩散，很可能再跳回到先前的空位里，这样来回跃迁的结果，使示踪原子前后跃迁的效果互相抵消，即没有发生位移。或者也可能出现另一个正常原子跳到这个空位里，把空位从示踪原子身边移开。因此，在考虑沿特定方向原于的扩散时，上述反向跃迁所造成的结果是：示踪原子自扩散系数(D*)小于无序扩散系数(Dr)，或者说示踪原子的自扩散系数只相当于无序扩散系数的一个分数。D*=fDr式中的系数(f)叫相关系数或相关因数(correlationfactor)，它是由晶体结构和扩散机理所决定的小于1的常数，表2由空位机理产生的对示踪原子的相关系数结构类型配位数相关系数金刚石简单立方结构体心立方结构面心立方结构六方密堆积结构46812120.50.065310.72720.7815fx=fy=0.7812fz=0.7815三、扩散机构和扩散系数的关系通过扩散过程的宏观规律和微观机制分析可知，扩散首先是在晶体内部形成缺陷，然后是能量较高的缺陷从一个相对平衡位置迁移到另一个相对平衡位置。因此，根据缺陷化学及绝对反应速度理论的相关知识就可建立不同扩散机制下的扩散系数。无序扩散是在假定系统中不存在定向推动力的条件下进行的，也就是说，粒子不是沿一定趋向跃迁，而是一种无规则的游动扩散过程，每一次跃迁都和先前一次跃迁移无关，一般晶体中的空位扩散和间隙扩散是符合这种条件的。所谓空位扩散是指晶体中的空位路迁入邻近原子，而原子反向迁入空位；间隙扩散则是指晶体内的填隙原于或离子沿晶格间隙的迁移过程。1、空位扩散系数空位扩散属于无序扩散，可用无序扩散系数来描述。在空位扩散机理中，只有当邻近的结点上有空位时，质点才能够跃迁。所以单位时间内空位的跃迁次数(n/t或q)与晶体内的空位浓度或缺陷浓度(Nν)、质点跃迁到邻近空位的跃迁频率(γ)以及与可供空位跃迁的结点数(A)有关，即：n/t=ANvγ代入无序扩散系数的微观表达式，有：Dν=αa02Nvγ其中，γ是质点的跃迁频率，若一个质点从一个位置跳越到另一个相邻位置的势垒为ΔGm，同时考虑到ΔG=ΔH－TΔS的热力学关系，则在给定温度下，单位时间内晶体中每一个质点成功地跳越势垒(ΔGm)的次数可用绝对反应速度理论求得：)exp(expexp00RTHRSvRTGvvmmm上式中νo为原子在晶格平衡位置上的振动频率，ΔGm、ΔSm、ΔHm分别为原子从平衡状态到活化状态的自由能、熵和焓的变化。)exp(expexpRTHRSRTGNfffvΔGf：空位形成的自由能；ΔSf：空位形成的熵变；ΔHf：空位形成的焓变；)exp(expexp020002RTHHRSSavRTGGvaDfmfmfmv此为空位扩散系数的微观表达式)exp(0RTQDD令RSSvaDfmexp0020Q=ΔHf+ΔHm此为空位扩散系数的宏观表达式，其中Do称为频率因子，Q称为扩散活化能。在间隙扩散机理中，由于晶体中间隙原子浓度往往很小，所以实际上间隙原子所有邻近间隙位置都是空的。因此，可供间隙原子跃迁的位置几率可近似地看成为1。这样，可导出间隙机构的扩散系数(Di)为：)exp()exp()exp(00RTHRSvNRTGvNDmmimii2、间隙扩散系数间隙扩散系数也可用下式表示：其中Do称为频率因子，Q称为扩散活化能。)exp(0RTQDD因为空位扩散和间隙扩散是固体中的主要扩散现象，因此，可将扩散系数的宏观表达式写成：)exp(0RTQDD四、本征扩散与非本征扩散在离子晶体中，点缺陷主要来自两个方面：1)本征点缺陷，由这类点缺陷引起的扩散叫本征扩散。2)掺杂点缺陷，由于掺入价数与溶剂不同的杂质原于，在晶体中产生点缺陷，例如在KCl晶体中掺入CaCl2，则将发生如下取代关系：从而产生阳离子空位。由这类缺陷引起的扩散为非本征扩散。ClKKKClClVCaCaCl2'2这样存在于体系中的空位浓度(Nν)就包含有由温度所决定的本征缺陷浓度(Nν’)和由杂质浓度所决定的非本征缺陷浓度(NI)两个部分,Nν=Nν’+NI得：)exp()exp()(020'20RTHRSvaNNvaNDmmIvvv当温度足够低时，由温度所决定的本征缺陷浓度(Nν’)大大降低，它与杂质缺陷浓度(NI)相比，可以近似忽略不计，从而有：其中此时的扩散系数叫非本征扩散系数。)exp()exp()exp(002020RTQDRTHRSvaNvaNDmmIIvmmIHQRSvaND);exp(0200当温度足够高时，由温度所决定的本征缺陷浓度(Nν’)很大，杂质缺陷浓度(NI)与它相比，可以近似忽略不计，从而有：)exp()exp()exp()exp()(002020'20'20RTQDRTHRSvaRTGvaNvaNNvaNDmmfvIvvvfmfmHHQRSSvaD)/exp(0200此时的扩散系数叫本征扩散系数。如果按照式中所表示的扩散系数与温度的关系，两边取自然对数，可得lnD＝-Q／RT+lnD0，用lnD与1／T作图。实验测定表明，在NaCl晶体的扩散系数与温度的关系图上出现有弯曲或转折现象(见图9)这便是由于两种扩散的活化能差异所致，这种弯曲或转折相当于从受杂质控制的非本征扩散向本征扩散的变化。在高温区活化能大的应为本征扩散，在低温区的活化能较小的应为非本征扩散。图9微量CdCl2掺杂的NaCl单晶中Na＋的自扩散系数与温度的关系T(℃)70060050040035010-910-1110-13103/T(K-1)1.001.201.401.60Patterson等人测定了NaCl单晶中Na+离子和C1-离子的本征与非本征扩散系数以及由此实测值计算出的扩散活化能。NaCl单晶中自扩散活化能活化能(KJ／ml)本征扩散(ΔHm+ΔHf/2)非本征扩散(ΔHm)ΔHfNa+C1-17426174161199199五、非化学计量氧化物中的扩散除掺杂点缺陷引起非本征扩散外，非本征扩散也发生于一些非化学计量氧化物晶体材料中在这类氧化物中，典型的非化学计量空位形成方式可分成如下两种类型：1.金属离子空位型2.氧离子空位型1.金属离子空位型造成这种非化学计量空位的原因往往是环境中氧分压升高迫使部分Fe2+、Ni2+、Mn2+等二价过渡金属离子变成三价金属离子，如：MMOMMVOgOM2)(212''2当缺陷反应平衡时，平衡常数Kp由反应自由焓ΔG0控制。考虑平衡时[MM·]=2[VM’’]，因此非化学计量空位浓度[VM’’]:)exp(]][[2122''RTGPMVKoMMp)3exp()41(][06131''2RTGPVOM将[VM’’]的表达代入式中的空位浓度项，则得非化学计量空位对金属离子空位扩散系数的贡献：讨论：若温度不变，根据式用1nDM与lnPO2作图所得直线斜率为1／6，图10为实验测得氧分压与CoO中钴离子空位扩散系数的关系图，其直线斜率为1／6，说明理论分析与实验结果是一致的，即Co2+的空位扩散系数与氧分压的1／6次方成正比；]3/exp[]3exp[)41(006120312RTHHRSSPavDMMOoM图10Co2+的扩散系数与氧分压的关系若氧分压PO2不变，lnD~1／T图直线斜率负值为(ΔHM+ΔHO/3)／RO。2．氧离子空位型以ZrO2-x为例，高温氧分压的降低将导致如下缺陷反应发生:反应平衡常数：'22)(21eVgOOOO)exp(]][[02'212RTGeVPKOOp考虑到平衡时[e’]=2[Vo’’]，故：于是非化学计量空位对氧离子的空位扩散系数贡献为：)3exp()41(][061312RTGPVOO]3exp[]3exp[)41(00610203102RTHHRSSPvaDMMO倘若在非化学计量化合物中同时考虑本征缺陷空位、杂质缺陷空位以及由于气氛改变所引起的非化学计量空位对扩散系数的贡献，其lnD～1／T图由含两个折点的直线段构成。高温段与低温段分别为本征空位和杂质空位所控制，而中段则为非化学计量空位所控制，图11示意地给出了这一关系。logDlogPO2图11在缺氧的氧化物中，扩散与氧分压、温度的关系611/T因此，在考虑沿特定方向原于的扩散时，上述反向跃迁所造成的结果是：示踪原子自扩散系数(D*)小于无序扩散系数(Dr)，或者说示踪原子的自扩散系数只相当于无序扩散系数的一个分数。D*=fDr式中的系数(f)叫相关系数或相关因数(correlationfactor)，它是由晶体结构和扩散机理所决定的小于1的常数，有关空位扩散机理的相关系数示于表2。六、多元系统的扩散系数多元系统往往存在着几种离子同时进行的扩散，称为互扩散。多元系统