Diffúzió. Diffúzió sebessége: gáz > folyadék > szilárd (kötőerő)

Átírás

1 Diffúzió Diffúzió - traszportfolyamat (fonon, elektron, atom, ion, hőmennyiség...) Elektromos vezetés (Ohm) töltés áram elektr. potenciál grad. Hővezetés (Fourier) energia áram hőmérséklet különbség Kémiai reakció anyagátalakulás affinitás Diffúzió (Fick) anyag áram kémiai potenciál különbség Diffúzió sebessége: gáz > folyadék > szilárd (kötőerő) Szilárdtest diffúzió (koncentráció változás) konc. különbség: csökken (szokásos eset) növekszik (szegregáció, getterezés)

2 Emelt hőmérsékletű technolóiák (hőkezelés, újrakristályosítás, szinterelés, oxidáció, dopolás...) Öndiffúzió (rádioaktív tracer atom) Interdiffúzió/koncentrációs diff. (kémiai analízis, EDS) A + B B koncentráció gradiens emelt hőmérséklet atomi mozgás konc. kiegyenlítődés IRREVERZIBILIS

3 A diffúzió kinetikája Interstíciós mechanizmus H, C, N, B, O Vakancia (csatolt) mehanizmus saját és szubsztitúciós atomok Aktiválási energia nagyobb

4 Diffúziós modellek Statisztikai modell (Einstein) elemi atomi ugrások eredője R R n 2 n = r + r + K+ 1 2 = Γ t r Γ: időegység alatti ugrások száma r: Interstíciós: üres rácspontok távolsága Szubsztitúciós: rácspontok távolsága 2 r n Termodinamikai modell (Onsager - Fick) Kémiai potenciál gradiens J = σ gradu = σ E dm dc = D A dt dx dm dc = D A dt dx J = D gradc D: diffúziós állandó (diffusivity) Fick - I. J: tömegáram sűrűség (fluxus)

5 Fick - II. törvény J: nem mérhető Feltételezve, hogy: dd/dx = 0 dc dt 2 d C = D 2 dx = D gradc

6 A diffúziós állandót befolyásoló tényezők D (hőmérséklet, ötvöző típusa, kristályhibák, nyomás,...) D E kt Makrofelület > Szemcse- / Fázishatár > Diszlokáció = D 0 e Polikristály > Egykristály Saját atom < Szubsztitúciós ötvöző < Intersztíciós ötvöző Vakancia mechanizmus Interstíciós mechanizmus

7 D hőmérsékletfüggése D E kt = D0e = 0 D e W RT n vakancia = Ne E kt = Ne W RT ln D = ln D0 E kt Termikusan aktivált folyamat Arrhenius - ábrázolás Extrém erős hőmérsékletfüggés. Hőmérsékletszabályozási problémák.

8 Ötvöző típusának hatása Saját atom < Szubsztitúciós ötvöző < Interstíciós ötvöző Kirkendall - kísérlet / jelenség (határfelület eltolódása) Cu Mo Cu Sárgaréz Cu - Zn Zn + vakancia Minden szubsztitúciós atom (Zn) visz magával egy vakanciát vakancia csatolt mechanizmust igazolja A kisebb méretű Zn szubsztitúciós ötvöző gyorsabban diffundál mint a saját Cu atom.

9 Diffúziós üregképződés Vakanciaáram a Zn felé Vakanciák eltűnnek (nyelők: diszlokáció végek, szemcsehatárok) Üregek, üregsorok képződnek (Frenkel: A semmi kikristályosodik ) n i= 1 J i = J Cu + J Zn + J Vakancia = 0

10 Mindenfajta kristály rendezetlenség gyorsítja a diffúziót. Kristályhibák hatása

11 A végtelen félteres megoldás Külső végeken nincs koncentráció változás. Gauss - féle hibaintegrál Függvénytábla, iteráció -0,7 < Φ < 0,7 Durva közelítés: Φ = ω C0 C( x, t) = 2 x ω = 2 D t [ 1 φ( ω) ]

12 Jellegzetes problémák Behatolási mélység az idő függvényében. Tipikus eset: oxidréteg vastagságának növekedése. Behatolási mélység a hőmérséklet függvényében.

13 Extrém erős hőmérséklet függés. Zn diffundál Cu-be D 0 = m 2 /s Q =1, J/g atom (Behatolási mélység = 0,1 mm) (Koncentráció = 1%) T = 600 C T = 200 C Idő = 1 h Idő = 10 8 h (kb év)

14 Q = 146 kj/g atom R = 8,31 J/K mol A diffúziós folyamat sebességét kétszeresére akarjuk növelni. T 2 = 1,05 T 1 (5 % növekedés!!)

15 Példa, Cu-(Pb-Sn) forrasztás

16 Cu Pb Sn eloszlás

17 Al-Au egyensúlyi diagram

18 Termokompressziós kötés

19 Neves almakertész ősünk (NEWTON) nem vizsgálta a fázisátalakulásokat, példaként egy szilárd-szilárd rácsváltozás: Integrált áramkörök kivezető ablakai külső érintkező lábak, alumínium arany termokompressziós kötés. Vegyületfázisok, színeik: Al fehér, Al 2 Au bíbor, AlAu fehér, AlAu 2 sárgásbarna, Al 2 Au 5 sárgásbarna, AlAu 4 sárgás, Au aranysárga Kristályrács, fajlagos elektromos és hővezetés, keménység, hőtágulási együttható, keletkezési térfogatváltozás AlAu = 67,9% A jelenség neve: az ónpestis analógiájaként BÍBORPESTIS