АТОМНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ДИФФУЗИИ В ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ

В твердом теле могут реализовываться несколько механизмов диффузии, схематично показанных на рис. 1.72.

Рис. 1.72. Атомные механизмы диффузии в твердом теле [8. С. 92]:

1,2— обменный (простой и циклический); 3 — вакансионный; 4, 5 — междоузельный (прямой и с вытеснением); 6 — краудионный

Вакансионный механизм является основным при диффузии примесей замещения в твердом теле, но он весьма чувствителен к структурным дефектам. Наличие источников внутри кристалла, облегчающих образование вакансий, таких как дислокации и их пороги, микропоры и т.д., уменьшает энергию активации диффузии по вакансиям. Значения энергии активации диффузии по вакансиям составляют обычно 2—5 эВ.

Междоузельный механизм. В этом случае скорость диффузии лимитируется энергией активации атомов, мигрирующих по междоузлиям, как показано стрелкой 4 на рис. 1.72. Величина энергии активации тем больше, чем больше атомный радиус атома—диффузанта. Кроме того, чем плотнее расположены атомы в кристаллической решетке, тем больше величина энергии активации диффузии. Поэтому в металлах энергия активации по междоузлиям больше, чем в кристаллах с ковалентным типом межатомной связи — полупроводниках. Типичные значения энергии активации диффузии по междоузлиям составляют 1 —1,5 эВ.

Междоузельный механизм вытеснения состоит в том, что междоузельный атом выталкивает соседний атом в узле кристаллической решетки, занимая его место. Схема процесса обозначена стрелкой 5 на рис. 1.72. Энергия активации при этом несколько меньше, чем по обычному междоузельному механизму.

Краудионный механизм. Под краудионом (от англ, «сжатие») понимают группу атомов, расположенных вдоль направления с максимальной плотностью упаковки атомов, в которой по сравнению с идеальной решеткой содержится один лишний атом. Диффузия происходит путем небольшого смещения атомов вдоль этой цепочки атомов, как показано стрелкой 6 на рис. 1.72. Здесь энергия активации диффузии невелика, причем по данному механизму происходит отжиг радиационных дефектов, а также локальных деформаций решетки, возникших под действием механических напряжений.

Обменный и кольцевой механизмы. В ходе такой диффузии в едином акте обмениваются местами два (обменная диффузия, стрелка /) или четыре (кольцевой, стрелка 2 на рис. 1.72) соседних атома. Энергия активации данных механизмов диффузии достаточно велика, и он чаще всего реализуется в ковалентных кристаллах.

Диссоциативная диффузия. Механизм часто проявляется в полупроводниках с решеткой типа алмаза и состоит из нескольких процессов. Первый — образование дефекта по Френкелю, второй — независимая миграция вакансии и междоузельного атома, третий — рекомбинация данных типов дефектов.