Fenomeno di trasporto di materiale per movimento di atomi

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1 Diffusione Fenomeno di trasporto di materiale per movimento di atomi Reazioni e processi (es. termici) basati sul trasferimento di massa all interno di uno stesso solido (autodiffusione) tra solido e liquido tra solido e gas tra solido e un altra fase solida (VARIAZIONE DELLA COMPOSIZIONE) T Interdiffusione o diffusione di impurezze

2 Meccanismi di Diffusione Graduale migrazione di atomi da una posizione reticolare a un altra Posizione adiacente vuota Sufficiente energia vibrazionale per vincere legami con gli atomi vicini e provocare distorsioni durante lo spostamento Diffusione per Vacanze Diffusione Interstiziale Diffusione Interstiziale Interdiffusione di Impurezze : atomi piccoli O, N, C, H Nella maggior parte delle leghe metalliche Diff. Interst. >> di quella per Vacanze Atomi più piccoli e più mobili Numero siti interstiziali >> Numero vacanze

3 Diffusione per Vacanze Atom direction Sia nei metalli che nei ceramici La presenza di vacanze dipende da T Vacancy direction CERAMICI IONICI le vacanze coinvolgono 2 o più ioni METALLI : sia autodiffusione che interdiffusione movimento di carica elettrica Per mantenere elettroneutralità un altra specie di carica uguale e opposta deve accompagnare il movimento diffusivo dello ione: Vacanza Un atomo di impurezza Un portatore elettronico (un elettrone libero o una lacuna) LA VELOCITÀ DI DIFFUSIONE È CONDIZIONATA DA QUELLA DELLA SPECIE PIÙ LENTA Applico E, diffusione per azione forza elettrica corrente ionica Poiché s dipende dal coefficiente di diffusione, D metodo per misurare D

4 Diffusione per Vacanze Atom direction Sia nei metalli che nei ceramici La presenza di vacanze dipende da T Vacancy direction CERAMICI IONICI le vacanze coinvolgono 2 o più ioni METALLI : sia autodiffusione che interdiffusione movimento di carica elettrica Per mantenere elettroneutralità un altra specie di carica uguale e opposta deve accompagnare il movimento diffusivo dello ione: Vacanza Un atomo di impurezza Un portatore elettronico (un elettrone libero o una lacuna) LA VELOCITÀ DI DIFFUSIONE È CONDIZIONATA DA QUELLA DELLA SPECIE PIÙ LENTA Applico E, diffusione per azione forza elettrica corrente ionica Poiché s dipende dal coefficiente di diffusione, D metodo per misurare D

5 Diffusione Stazionaria FLUSSO DI DIFFUSIONE, J massa (numero di atomi) che nell unità di tempo diffonde attraverso una superficie unitaria nella direzione perpendicolare alla superficie J = 1 A dm dt Unità di misura : kg m -2 s -1 ( numero atomi m -2 s -1 ) Concentrazione varia con la posizione x C(x) Profilo di Concentrazione x A > x B dc dx = Gradiente di concentrazione x Diffusione Stazionaria J = D dc dx I LEGGE DI FICK Forza motrice

6 Diffusione Non Stazionaria J (x,t) e dc Accumulo (x, t) dx o Impoverimento delle specie che diffondono dc dt = x (D C x ) Se D indipendente dalla posizione dc = D 2 C dt x 2 II LEGGE DI FICK Soluzione dipende dalle condizioni al contorno

7 Solido semi-infinito (tempo perché le specie diffuse arrivino all altra estremità >> tempo entro cui si verifica la diffusione, L > 10 Dt) Concentrazione superficiale, C s, costante (es. pressione parziale specie gassose che diffondono nel solido = cost) Per t = 0, C = C 0 a 0 x atomi di soluto uniformemente distribuiti Per t > 0, C = C s a x = 0 e C = C 0 a x = C x C 0 x = 1 erf( C s C 0 2 Dt ) FUNZIONE DI ERRORE GAUSSIANA erf z = 2 π න 0 z e y2 dy Cementazione carburante Processo in cui acciaio esposto ad alta T in atmosfera di gas di idrocarburi (es. CH4) Aumenta concentrazione di C in superficie

8 Cosa influenza la Diffusione? Specie che Diffondono e Specie Ospite Temperatura Energia di Attivazione della Diffusione D = D 0 e Q d R T energia richiesta per produrre il movimento di diffusione di una mole di atomi

9 Per determinare sperimentalmente Q d e D 0 D = D 0 e Q d R T lnd = lnd 0 Q d R T o logd = logd 0 Q d 2. 3R T y = b + mx

10 Diffusione nei Semiconduttori Fase di pre-deposizione ( T C, t 1h) atomi di impurezze diffondono nel Si proveniendo da gas mantenuti a p = cost C s = costante C x C 0 x = 1 erf( C s C 0 2 Dt ) Drive-in diffusion (T max 1200 c in ambiente ossidante) Trasporto impurezze all interno del Si per un distribuzione di concentrazione più omogenea nel volume senza aumentarla? Formazione di SiO2 sulla superficie Velocità di diffusione attraverso SiO2 è bassa pochi atomi di impurezza diffondono fuori dal materiale Profondità di giunzione Concentrazione di fondo

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12 Metodi per misurare sperimentalmente D(T) Metodi diretti Si misura la concentrazione delle specie diffuse vs distanza di penetrazione Metodi affidabili: es. Spettroscopia di massa, tecniche di tracciamento radiattivo, spettrofotometria. Lati negative: costosi, time-consuming, e spesso sono intrusive Metodi indiretti: Misurano le variazioni di uno per parametric del Sistema che dipende dalla velocità di diffusione. Es. Nei Liquidi: Variazioni di volume o di moto all interfaccia tra liquid e gas, variazioni di caratteristiche legate al campo magnetico, o nel caso dei materiali ionici al campo elettrico.