四川大学：《材料物理化学》课程教学资源（PPT课件讲稿）固体中的扩散（一）

积物理学 固体的扩散 NWARE 四川大学材料科学与工程学院杨为中

材料物理化学 固体中的扩散 四川大学材料科学与工程学院 杨为中

扩散现象:由于热或其他原因导致的原子运 动,物质从系统的这一部分迁移至另一部分 的现象,被称为扩散。 扩散体系=扩散物质+扩散介质 气味—气体分子扩散 汽油味(gg) 盐酸的制备(g) 液体混合、布朗运动 液体分子扩散 墨水融解()、酒精()、咖啡融解(s/) ●。 固体分子扩散么? n半导体掺杂(ss) 2021/2/10 杨为早释物理牝孕

2021/2/10 杨为中 材 料 物 理 化 学 2 ◼ 扩散现象：由于热或其他原因导致的原子运 动，物质从系统的这一部分迁移至另一部分 的现象，被称为扩散。 ◼ 扩散体系＝ 扩散物质＋扩散介质 ◼ 气味——气体分子扩散 ◼ 汽油味（g/g） ◼ 盐酸的制备（g/l） ◼ 液体混合、布朗运动 ——液体分子扩散 ◼ 墨水融解（l/l）、酒精（l/l）、咖啡融解（s/l） ◼ …固体分子…扩散么？ ◼ 半导体掺杂（s/s）…………

固体扩散示意-生活实例 固体的护散 杨为中材料物理化学

2021/2/10 杨为中 材 料 物 理 化 学 3 固体扩散示意-生活实例

固体扩散示意 金铅 2021/2/10

2021/2/10 杨为中 材 料 物 理 化 学 4 固体扩散示意

实例】基于固相扩散的半导体掺杂 ■本征半导体——掺杂半导体-施主、受主 排气 晶圆 热丝 掺杂气体 掺杂物源(含有掺杂物质的玻璃) 不纯物元素 热丝 石英玻璃 热扩散装 扩散层 S单结晶

◼ 【实例】基于固相扩散的半导体掺杂 ◼ 本征半导体——掺杂半导体-施主、受主

固体中同样发生原子输运、混合过程 固体中原子间结构的内聚力大得多 a故:固体中原子扩散比气体、液体慢8 得多、甚至几百万倍!! 尽管如此,只要固体中原子、离子分 布不均、存在浓度梯度,就会产生使 浓度趋于均匀的定向扩散 2021/2/10 杨为中材料物理化学

2021/2/10 杨为中 材 料 物 理 化 学 6 ◼ 固体中同样发生原子输运、混合过程 ◼ 固体中原子间结构的内聚力大得多 ◼ 故：固体中原子扩散比气体、液体慢 得多、甚至几百万倍！！ ◼ 尽管如此，只要固体中原子、离子分 布不均、存在浓度梯度，就会产生使 浓度趋于均匀的定向扩散

■在固体中,由不在对流。扩散 就成为物质食输的惟一方式。 在材料科学中多种过程与扩散有关 ■彩成固溶体 半导下 如相变、國相凤应、煷结工芒 Next-generation technology Carbon nanotube ■净碳和渗氮工艺 氧化程 ■高温蝸变等 www3

2021/2/10 杨为中 材 料 物 理 化 学 7 ◼ 在固体中，由于不存在对流，扩散 就成为物质传输的惟一方式。 ◼ 在材料科学中多种过程与扩散有关 ◼ 形成固溶体 半导体掺杂 ◼ 如相变、固相反应、烧结工艺 ◼ 渗碳和渗氮工艺 氧化过程 ◼ 高温蠕变等

论 什么是扩散? 扩散是由热运动(温度梯度)引起的 杂质原子、基质原子或缺陷的输运的一种 过程 从热力学角度看,只有在绝对零度,才没 有扩散。 除了温度榔度、还有浓度梯度、化学梯 度等引起的物质输還过程 2021/2/10 杨为中材料物理化学

2021/2/10 杨为中 材 料 物 理 化 学 8 绪论 ◼ 什么是扩散？ ◼ ——扩散是由热运动（温度梯度）引起的 杂质原子、基质原子或缺陷的输运的一种 过程 ◼ 从热力学角度看，只有在绝对零度，才没 有扩散。 ◼ 除了温度梯度、还有浓度梯度、化学位梯 度等引起的物质输运过程

故:扩散是由于体系内原子或离子存 在有化学势或电化学势梯度(由温度、 浓度等因豪引起)情况下,所发生的 定向流动和互相混合过程 扩散的结果即消除这种化学势或电化 学势梯度,达到体系内组分浓度的均 匀分布或平衡 2021/2/10 杨为中材料物理化学 9

2021/2/10 杨为中 材 料 物 理 化 学 9 ◼ 故：扩散是由于体系内原子或离子存 在有化学势或电化学势梯度（由温度、 浓度等因素引起）情况下，所发生的 定向流动和互相混合过程 ◼ 扩散的结果即消除这种化学势或电化 学势梯度，达到体系内组分浓度的均 匀分布或平衡

C=C2 C2>C1 原始状态 最终状态 距离x 典型扩散:突变浓度—均匀浓度分布 2021/2/10 杨为中材料物理化学

2021/2/10 杨为中 材 料 物 理 化 学 10 典型扩散：突变浓度——均匀浓度分布