Дифузія та іонна провідність у твердих тілах

Дифузія представляє собою процес перенесення речовини – атомів, іонів або електронів – під дією градієнта концентрації. Важливим процесом є також самодифузія – процес дифузії атомів або іонів в бездомішковому кристалі; цей процес веде до вирівнювання концентрацій вакансій і атомів в міжвузлях по кристалу.

Потік атомів j визначається законом Фіка:

, (3.20)

де D - коефіциєнт дифузії.

Можливі три механізми дифузії в твердому тілі:
– переміщення вакансій;

– рух атомів впровадження;

– взаємний обмін місцями між атомами.

У процесі руху по вакансіях атом повинен подолати енергетичний бар'єр W. Існування цього бар'єру обумовлено зміною решітки. Імовірність того, що атом володіє енергією , пропорційна (больцманівському фактору), отже, коефіцієнт дифузії D також пропорційний цьому чиннику. Енергія активації для більшості процесів дифузії ~1еВ.

У більшості випадків у кристалах переважає дифузія за рахунок руху вакансій. У твердих розчинах впровадження переважним буде другий механізм. Третій механізм з енергетичної точки зору менше імовірний, тому що пов'язаний з одночасним переміщенням двох або більше атомів.

Дислокації, рухомі під впливом механічних напруг, можуть накопичуватися на межах блоків або зерен і створювати місцеві концентрації напружень, достатні для утворення мікротріщин. Швидкість дифузії по мікротріщині значно вище, ніж через міжвузля і по вакансіях кристала.

Крім того, взаємодія дислокацій з домішковими атомами призводить до локальних змін концентрації домішки: у стислій області кристала поблизу крайової дислокації накопичуються чужорідні атоми з малим радіусом, а в розтягнутій області – з великим.

Процес дифузії є визначальним у швидкості перебігу хімічних реакцій в твердому тілі, він також обумовлює іонну провідність кристала.

Іонна провідність має місце тільки в іонних кристалах. У іонних кристалах присутні вакансії як позитивно, так і негативно заряджених іонів, проте зазвичай вакансії одного сорту більш рухливі, ніж вакансії іншого сорту. Під дією зовнішнього електричного поля переміщення вакансій буде більш спрямованим: вакансії позитивних іонів з більшою ймовірністю будуть переміщатися до позитивно зарядженої сторони кристала, аналогічно будуть рухатися вакансії негативних іонів. Таким чином, виникає результуючий струм позитивних іонів до негативно зарядженої сторони кристала, аналогічно вакансії негативно заряджених іонів будуть рухатися до негативно зарядженої сторони кристала, і в результаті з'явиться зустрічний струм негативних іонів до позитивної сторони кристала. Цей процес, як і дифузія, визначається величиною енергії активації , так що іонна рухливість пропорційна коефіцієнту дифузії.

Дата добавления: 2015-07-14