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
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
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
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
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
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
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
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
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
Diffusione nei Semiconduttori Fase di pre-deposizione ( T 900 1000 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
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.