固体中的扩散 pdf epub mobi txt 电子书 下载 在线阅读 2026

内容简介

　　扩散一及二定律及其在各种条件下的解反映了原子扩散的宏观规律，这些规律为解决许多与扩散有关的实际问题奠定了基础。在扩散定律中，扩散系数是衡量原子扩散能力的非常重要的参数，到目前为止它还是一个未知数。为了求出扩散系数，首先要建立扩散系数与扩散的其他宏观量和微观量之间的联系，这是扩散理论的重要内容。事实上，宏观扩散现象是微观中大量原子的无规则跳动的统计结果。从原子的微观跳动出发，研究扩散的原子理论、扩散的微观机制以及微观理论与宏观现象之间的联系是本节的主要内容。

内页插图

目录

History and Bibliography of Diffusion1.1 Pioneers and Landmarks of DiffusionReferences1.2 Bibliography of Solid-State DiffusionPart I Fundamentals of DiffusionContinuum Theory of Diffusion2.1 Fick's Laws in Isotropic Media2.1.1 Fick's First Law2.1.2 Equation of Continuity2.1.3 Fick's Second Law - the 'Diffusion Equation'2.2 Diffusion Equation in Various Coordinates2.3 Fick's Laws in Anisotropic MediaReferencesSolutions of the Diffusion Equation3.1 Steady-State Diffusion3.2 Non-Steady-State Diffusion in one Dimension3.2.1 Thin-Film Solution3.2.2 Extended Initial Distributionand Constant Surface Concentration3.2.3 Method of Laplace Transformation3.2.4 Diffusion in a Plane Sheet - Separation of Variables3.2.5 Radial Diffusion in a Cylinder3.2.6 Radial Diffusion in a Sphere3.3 Point Source in one, two, and three DimensionsReferences4 Random Walk Theory and Atomic Jump Process4.1 Random Walk and Diffusion4.1.1 A Simplified Model4.1.2 Einstein-Smoluchowski Relation4.1.3 Random Walk on a Lattice4.1.4 Correlation Factor4.2 Atomic Jump ProcessReferencesPoint Defects in Crystals5.1 Pure Metals5.1.1 Vacancies5.1.2 Divacancies5.1.3 Determination of Vacancy Properties5.1.4 Self-Interstitials5.2 Substitutional Binary Alloys.5.2.1 Vacancies in Dilute Alloys5.2.2 Vacancies in Concentrated Alloys5.3 Ionic Compounds5.3.1 Frenkel Disorder5.3.2 Schottky Disorder5.4 Intermetallics5.5 SemiconductorsReferences6 Diffusion Mechanisms6.1 Interstitial Mechanism6.2 Collective Mechanisms6.3 Vacancy Mechanism6.4 Divacancy Mechanism6.5 Interstitialcy Mechanism6.6 Interstitial-substitutional Exchange MechanismsReferencesCorrelation in Solid-State Diffusion7.1 Interstitial Mechanism7.2 Interstitialcy Mechanism7.3 Vacancy Mechanism of Self-diffusion7.3.1 A 'Rule of Thumb'7.3.2 Vacancy-tracer Encounters7.3.3 Spatial and Temporal Correlation7.3.4 Calculation of Correlation Factors7.4 Correlation Factors of Self-diffusion7.5 Vacancy-mediated Solute Diffusion7.5.1 Face-Centered Cubic Solvents7.5.2 Body-Centered Cubic Solvents7.5.3 Diamond Structure Solvents7.6 Concluding RemarksReferences……PartⅡ Experimental MethodsPartⅢ Diffusion in Metallic MaterialsPartⅣ Diffusion in Semiconductors PartⅤ Diffusion and Conduction in Ionic MaterialsPartⅥ Diffusion in GlassesPartⅦ Diffusion along High-Diffusivity Paths and in NanomaterialsIndex

精彩书摘

　　6.2 Collective Mechanisms　　Solute atoms similar in size to the host atoms usually form substitutionalsolid solutions. The diffusion of substitutional solutes and of solvent atomsthemselves requires a mechanism different from interstitial diffusion. In the1930s it was suggested that self- and substitutional solute diffusion in metalsoccurs by a direct exchange of neighbouring atoms (Fig. 6.3)， in whichtwo atoms move simultaneously. In a close-packed lattice this mechanismrequires large distortions to squeeze the atoms through. This entails a highactivation barrier and makes this process energetically unfavourable. Theoret-ical calculations of the activation enthalpy for self-diffusion of Cu performedby HUNTINGTON ET AL. in the 1940s [1， 2]， which were confirmed later bymore sophisticated theoretical approaches， led to the conclusion that directexchange at least in close-packed structures was not a likely mechanism.　　The so-called ring mechanism of diffusion was proposed for crystallinesolids by the American metallurgist JEFFRIES [3] already in the 1920s andadvocated by ZENER in the 1950s [4]. The ring mechanism corresponds toa rotation of 3 (or more) atoms as a group by one atom distance. The requiredlattice distortions are not as great as in a direct exchange. Ring versions ofatomic exchanges have lower activation energies but increase the amount ofcollective atomic motion， which makes this more complex mechanism unlikelyfor most crystalline substances.　　Direct exchange and ring mechanisms have in common that lattice de-fects are not involved. The observation of the so-called KirkendaU effect inalloys by KIRKENDALL AND COWORKERS [5， 6] during the 1940s had an im-portant impact on the field (see also Chaps. 1 and 10). The Kirkendall effectshowed that the self-diffusivities of atoms in a substitutional binary alloy dif-fuse at different rates. Neither the direct exchange nor the ring mechanismcan explain this observation. As a consequence， the ideas of direct or ringexchanges were abandoned in the diffusion literature.　　……

前言/序言

凝聚态物理前沿：晶体缺陷与输运现象的精微探究 第一章：晶格结构与完美晶体的构想 本卷聚焦于固体材料微观结构这一宏大而精密的领域，旨在为读者构建一个坚实的理论基础，理解原子如何排列、晶体如何形成，以及这种周期性结构在理想状态下所展现出的奇特物理性质。我们从晶体学的基本原理入手，深入剖析点阵、基矢、布拉维格子等核心概念，阐释如何通过数学描述来精确地定义和分类各种晶体结构，例如面心立方（FCC）、体心立方（BCC）以及六方紧密堆积（HCP）等。 在理想晶体的范畴内，我们详细探讨了其电子结构理论。基于布洛赫定理（Bloch Theorem），我们将电子的波函数表达为周期性势场中平面波的叠加。由此，我们推导出能带理论的精髓，解释了金属、半导体和绝缘体之间本质区别的来源——导带和价带的填充情况以及禁带的宽度。对电子有效质量概念的引入，使得我们可以将电子视为在周期性势场中运动的“准粒子”，极大地简化了对宏观输运现象的理解。 此外，本章还深入分析了固体材料的弹性响应。通过引入胡克定律的张量形式，我们讨论了应力与应变之间的线性关系，计算了杨氏模量、剪切模量和泊松比等弹性常数，这些参数直接决定了材料在受力下的形变行为和宏观机械强度。对声子（晶格振动的量子化描述）的引入，是理解热力学性质的关键一步。我们详细阐述了声子色散关系，计算了晶格比热的德拜模型（Debye Model），并初步勾勒出晶格振动对材料热导率的贡献。 第二章：晶体中的非周期性扰动——几何缺陷的分类与表征 任何宏观可制备的晶体都必然偏离理想的完美状态。本章将焦点转向晶体内部的“不完美性”，即晶体缺陷。我们认为，理解材料的许多关键特性，如强度、导电性、以及对杂质的敏感性，必须从缺陷的视角切入。 首先，我们系统地分类了零维（点）缺陷。空位（Vacancy）是最基本的缺陷，其形成热力学由平衡浓度方程所决定，讨论了缺陷的形成能及其对材料密度的微小影响。间隙原子（Interstitial Atom）则描述了原子占据正常晶格位置之间的空隙，并讨论了其对晶格畸变场的贡献。我们随后引入了更复杂的点缺陷组合，如弗伦克尔缺陷（Frenkel Defects）和肖特基缺陷（Schottky Defects），特别是在离子晶体中的重要性。 接着，我们将讨论范围扩大到一维（线）缺陷——位错（Dislocation）。位错是决定金属塑性变形行为的核心要素。我们详细定义了刃型位错和螺型位错，并用 Burgers 矢量来量化其结构和引起的晶格错配。为了深入理解位错如何运动，我们引入了应力场理论，计算了位错周围的弹性应力分布，并探讨了位错在剪切力作用下的滑移（Slip）和攀移（Climb）机制。位错的交割、缠结以及与晶界的交互作用，构成了材料加工硬化和蠕变的基础。 第三部分转向二维（面）缺陷。晶界（Grain Boundary）是构成多晶材料的基本单元，我们用倾斜角和旋转角来描述晶界结构。特别是高角度晶界，其原子排列高度无序，构成了显著的能量高点和杂质聚集区。我们讨论了晶界能的计算，以及它们对材料晶粒生长和材料电学性能的阻碍作用。堆垛层错（Stacking Faults），尤其是在FCC金属中，由于层错偏离了理想的堆积顺序，对孪晶（Twinning）和某些形变机制具有关键影响。 第三章：缺陷热力学与动力学基础 本章将缺陷视为处于非平衡态的激发态，探讨它们的产生、迁移和平衡。缺陷的浓度及其随温度的变化是理解材料在高温下稳定性的关键。我们利用统计热力学原理，推导了在给定温度下，空位形成能与平衡空位浓度的关系，强调了熵（无序度增加）和焓（形成能量）之间的竞争。 随后，我们转向缺陷的动力学行为。理解缺陷如何“移动”是解释退火、相变和弛豫过程的前提。对于点缺陷，我们应用阿累尼乌斯（Arrhenius）关系来描述其扩散速率，关联了迁移能垒和频率因子。我们详细分析了空位辅助的原子跳跃机制，这是体扩散的基础。 对于线缺陷——位错的迁移，我们引入了关键的驱动力概念。位错运动受到外加应力场、晶格阻力（Peierls-Nabarst力）以及与其他缺陷相互作用的钉扎力的共同影响。我们区分了需要高激活能的攀移过程（涉及空位/间隙原子的吸收或发射）和在低温下相对容易发生的滑移过程。 此外，本章还涵盖了缺陷在晶格中对电荷载流子（在半导体和离子导体中）的影响。缺陷态对能带结构的局域化效应，解释了缺陷如何充当陷阱（Trap）或复合中心（Recombination Center），从而极大地改变了材料的光电特性和导电机制。 第四章：材料响应与宏观物理现象的缺陷起源 本章旨在搭建从微观缺陷结构到宏观可测物理量之间的桥梁。我们将回顾几种核心的宏观现象，并论证缺陷在其中扮演的角色。 在机械性能方面，我们聚焦于强化机制。通过分析位错密度的增加、位错之间的交互作用（如形成位错墙），我们阐释了加工硬化（Work Hardening）的物理图像。同时，位错与析出相或第二相粒子的钉扎效应，解释了沉淀硬化（Precipitation Hardening）的显著效果。我们还讨论了晶界在抵抗位错运动中的作用，即霍尔-佩奇（Hall-Petch）关系，说明细晶粒如何提高屈服强度。 在电学性质方面，对于离子晶体，我们分析了缺陷导致的离子电导率。例如，在氧化物中，氧空位或金属离子间隙的存在，使得材料在高温下表现出可测量的离子导电性，这是固体氧化物燃料电池（SOFC）等技术的基础。在半导体中，本征缺陷（如氧对碳的取代）或掺杂引入的杂质（如磷或硼），精确地控制了载流子的浓度和费米能级的位置，这是所有半导体器件设计的基础。 最后，我们探讨了缺陷对材料抗辐照性能的影响。高能粒子辐照会在晶体中产生大量的点缺陷，这些缺陷的产生、迁移和聚集（形成空位团或间隙团）直接决定了材料在反应堆或加速器环境中的稳定性和寿命。缺陷的相互作用和湮灭速率是评估材料抗辐照损伤能力的决定性因素。 通过以上四个篇章的系统论述，本书构建了一个从完美周期性结构到复杂缺陷结构，再到由缺陷主导的宏观物理现象的完整框架。它为研究人员和工程师提供了理解和调控固体材料性能的理论工具。