无机材料科学基础第八章扩散.pdf

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1、第第 7 7 章章 扩散扩散一、名词解释一、名词解释1 1扩散：扩散：2 2扩散系数与扩散通量：扩散系数与扩散通量：3 3本征扩散与非本征扩散本征扩散与非本征扩散:4 4自扩散与互扩散：自扩散与互扩散：5 5稳定扩散与不稳定扩散：稳定扩散与不稳定扩散：名词解释答案：一、扩散是指在梯度的作用下,由于热运动而使粒子定向移动的过程二、扩散通量：单位时间内通过单位面积粒子的数目扩散系数：单位浓度梯度下的扩散同俩个三、本征扩散：由热缺陷所引起的扩散非本征扩散：由于杂质粒子的电引入而引起的扩散四、自扩散：原子或粒子在本身结构中的扩散互扩散:两种的扩散通量大小相等，方向相反的扩散五、稳定扩散：单位时间内通过

2、单位面积的粒子数一定不稳定扩散：单位面积内通过单位面积的粒子数不一定二、填空与选择二、填空与选择1。晶体中质点的扩散迁移方式有：、和。2当扩散系数的热力学因子为时，称为逆扩散。此类扩散的特征为，其扩散结果为使或。3扩散推动力是。晶体中原子或离子子的迁移机制主要分为两种:和。4恒定源条件下,820时钢经 1 小时的渗碳，可得到一定厚度的表面碳层,同样条件下，要得到两倍厚度的渗碳层需小时。5 本征扩散是由而引起的质点迁移,本征扩散的活化能由和两部分组成，扩散系数与温度的关系式为。6菲克第一定律适用于,其数学表达式为；菲克第二定律适用于，其数学表达式为.7在离子型材料中，影响扩散的缺陷来自两个方面：

3、（1）肖特基缺陷和弗仑克尔缺陷（热缺陷），（2）掺杂点缺陷。由热缺陷所引起的扩散称，而掺杂点缺陷引起的扩散称为。（自扩散、互扩散、无序扩散、非本征扩散）8在通过玻璃转变区域时,急冷的玻璃中网络变体的扩散系数，一般相同组成但充分1退火的玻璃中的扩散系数。（高于、低于、等于)9在 UO2晶体中，O2的扩散是按机制进行的。（空位、间隙、掺杂点缺陷）填空题答案：1、易位扩散、环形扩散、空位扩散、间隙扩散、准间隙扩散2、1+（lni）/（lnNi）0、由低浓度向高浓度扩散、偏聚、分相3、化学位梯度、空位机制、间隙机制4、45、热缺陷、空位形成能、空位迁移能、D D0e6、稳定扩散、CJ Dx（Q）RTC

4、2C Dx2、不稳定扩散、t7、本征扩散、非本征扩散8、高于9、间隙四、试分析离子晶体中四、试分析离子晶体中,阴离子扩散系数般都小于阳离子扩散系数的原因。阴离子扩散系数般都小于阳离子扩散系数的原因。阴离子通常作为堆积结构的基础，而阳离子通常填充于空隙之中,阳离子扩散相对较容易，而阴离子若要扩散则需要破坏堆积结构，所需要的能量更多,故阴离子扩散系数般都小于阳离子扩散系数六、碳、氮、氢在体心立方铁中扩散的激活能分别为六、碳、氮、氢在体心立方铁中扩散的激活能分别为8484、7575 和和 13kJ/mol13kJ/mol，试对此差异进，试对此差异进行分析和解释。行分析和解释。CN-O 的半径依次减小

5、，CN-O 在间隙中扩散的能力逐渐增加，故扩散的激活能越低七、七、MgOMgO、CaOCaO、FeOFeO 均具有均具有 NaClNaCl 结构，结构，在各晶体中在各晶体中,它们的阳离子扩散活化能分别为：它们的阳离子扩散活化能分别为：NaNa+在在NaClNaCl中为中为41kcal/mol41kcal/mol，MgMg2+2+在在MgOMgO中为中为83 kcal/mol83 kcal/mol，CaCa2+2+在在CaOCaO中为中为77 kcal/mol77 kcal/mol，FeFe3+3+在在 FeOFeO 中为中为 23 kcal/mol23 kcal/mol，试解释这种差异的原因。

6、，试解释这种差异的原因。1、由于 FeO为非化学计量型氧化物故扩散活化能较低2、NaCl中的 Na离子电价较低，故 NaCl扩散活化能相对较低3、Ca的半径比 Mg离子的半径大，故 MgO的扩散活化能高八、已知氢和镍在面心立方铁中的扩散系数为：八、已知氢和镍在面心立方铁中的扩散系数为：2640004.182，试计算，试计算 10001000103004.182和和DH 0.0063expcmscmsDNi 4.1expRTRT的扩散系数，并对其差别进行解释。的扩散系数，并对其差别进行解释。103004.182103004.18-4DH 0.0063expcms 0.0063exp 110RT8

7、.3141273.15640004.182640004.18-11DNi 4.1expcms 4.1exp 4.3310RT8.3141273.15其中 H的离子半径明显小于 Ni的半径,故前者更容易扩散，其扩散系数也就越高九、假定碳在九、假定碳在 Fe(Fe(体心立方）和体心立方）和 -Fe-Fe（面心立方）中的扩散系数分别为：（面心立方）中的扩散系数分别为：2D 0.0079exp83600 RTcm2s；D 0.21exp141284 RTcms，计算，计算 800800时各自的扩散系数时各自的扩散系数,并解释其差别。并解释其差别。D 0.0079exp83600 RTcm2s=6=6。

8、7 7 1010-7-7D 0.21exp141284 RTcm2s=2.8=2.8 10108 8-Fe（体心立方）和-Fe（面心立方）相比结构更疏松,粒子在其中更容易扩散、故扩散系数越大十、在制造硅半导体器体中十、在制造硅半导体器体中,常使硼扩散到硅单品中，若在常使硼扩散到硅单品中，若在1600K1600K 温度下保持硼在硅单温度下保持硼在硅单品表面的浓度恒定品表面的浓度恒定(恒定源半无限扩散恒定源半无限扩散),),要求距表面要求距表面 10103 3cmcm 深度处硼的浓度是表面浓度深度处硼的浓度是表面浓度的一半，的一半，问需要多长时间问需要多长时间(已知已知 D D16001600=8

9、=810101212cmcm2 2/sec/sec；当当erf C0C1C0C1;起初无浓度，故C 0；C1 0.5C0;0.5C0CC0C-310 0.5;t 125000s-122 810tx？0.5时，时，x 0.5）2 Dt2 Dt十一、十一、ZnZn2+2+在在 ZnSZnS 中扩散时，中扩散时，563563时的扩散系数为时的扩散系数为 331010-14-14cmcm2 2/sec/sec；450450时的扩散系数时的扩散系数为为 1.01.010101414cmcm2 2/sec,/sec,求：（求：（a)a)扩散的活化能和扩散的活化能和 D D0 0；（；（b)750b)750

10、时的扩散系数；时的扩散系数；（c c）根据）根据你对结构的了解你对结构的了解,请从运动的观点和缺陷的产生来推断活化能的含义；（请从运动的观点和缺陷的产生来推断活化能的含义；（d d）根据）根据 ZnSZnS 和和ZnOZnO 相互类似，预测相互类似，预测 D D 随硫的分压而变化的关系。随硫的分压而变化的关系。3Q）RT（-Q）8.314836.15D D0e310110-14（-D0e D0e-14（-Q）8.314723.15Q 48827;D0 3.410-11D 3.410e-11（-48827）8.3141023.151.110-13十二、欲使十二、欲使 CaCa2 2在在 CaOCaO 中的扩散直至中的扩散直至 CaOCaO 的熔点的熔点（26002600）都是非本征扩散都是非本征扩散,要求三价要求三价杂质离子有什么样的浓度？试对你在计算中所作的各种特性值的估计作充分说明（已知杂质离子有什么样的浓度？试对你在计算中所作的各种特性值的估计作充分说明（已知CaOCaO 肖特基缺陷形成能为肖特基缺陷形成能为 6eV).6eV).aOM2O3C2MCa3OOVCa61.610-196.231023VCa exp（-）3.610-628.3142873.15-6-6M MCa 2VCa 23.610 7.2104