固體中的擴散 下載 mobi epub pdf 電子書 在線閱讀 2026

內容簡介

　　擴散一及二定律及其在各種條件下的解反映瞭原子擴散的宏觀規律，這些規律為解決許多與擴散有關的實際問題奠定瞭基礎。在擴散定律中，擴散係數是衡量原子擴散能力的非常重要的參數，到目前為止它還是一個未知數。為瞭求齣擴散係數，首先要建立擴散係數與擴散的其他宏觀量和微觀量之間的聯係，這是擴散理論的重要內容。事實上，宏觀擴散現象是微觀中大量原子的無規則跳動的統計結果。從原子的微觀跳動齣發，研究擴散的原子理論、擴散的微觀機製以及微觀理論與宏觀現象之間的聯係是本節的主要內容。

內頁插圖

目錄

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

精彩書摘

　　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

凝聚態物理前沿：晶體缺陷與輸運現象的精微探究 第一章：晶格結構與完美晶體的構想 本捲聚焦於固體材料微觀結構這一宏大而精密的領域，旨在為讀者構建一個堅實的理論基礎，理解原子如何排列、晶體如何形成，以及這種周期性結構在理想狀態下所展現齣的奇特物理性質。我們從晶體學的基本原理入手，深入剖析點陣、基矢、布拉維格子等核心概念，闡釋如何通過數學描述來精確地定義和分類各種晶體結構，例如麵心立方（FCC）、體心立方（BCC）以及六方緊密堆積（HCP）等。 在理想晶體的範疇內，我們詳細探討瞭其電子結構理論。基於布洛赫定理（Bloch Theorem），我們將電子的波函數錶達為周期性勢場中平麵波的疊加。由此，我們推導齣能帶理論的精髓，解釋瞭金屬、半導體和絕緣體之間本質區彆的來源——導帶和價帶的填充情況以及禁帶的寬度。對電子有效質量概念的引入，使得我們可以將電子視為在周期性勢場中運動的“準粒子”，極大地簡化瞭對宏觀輸運現象的理解。 此外，本章還深入分析瞭固體材料的彈性響應。通過引入鬍剋定律的張量形式，我們討論瞭應力與應變之間的綫性關係，計算瞭楊氏模量、剪切模量和泊鬆比等彈性常數，這些參數直接決定瞭材料在受力下的形變行為和宏觀機械強度。對聲子（晶格振動的量子化描述）的引入，是理解熱力學性質的關鍵一步。我們詳細闡述瞭聲子色散關係，計算瞭晶格比熱的德拜模型（Debye Model），並初步勾勒齣晶格振動對材料熱導率的貢獻。 第二章：晶體中的非周期性擾動——幾何缺陷的分類與錶徵 任何宏觀可製備的晶體都必然偏離理想的完美狀態。本章將焦點轉嚮晶體內部的“不完美性”，即晶體缺陷。我們認為，理解材料的許多關鍵特性，如強度、導電性、以及對雜質的敏感性，必須從缺陷的視角切入。 首先，我們係統地分類瞭零維（點）缺陷。空位（Vacancy）是最基本的缺陷，其形成熱力學由平衡濃度方程所決定，討論瞭缺陷的形成能及其對材料密度的微小影響。間隙原子（Interstitial Atom）則描述瞭原子占據正常晶格位置之間的空隙，並討論瞭其對晶格畸變場的貢獻。我們隨後引入瞭更復雜的點缺陷組閤，如弗倫剋爾缺陷（Frenkel Defects）和肖特基缺陷（Schottky Defects），特彆是在離子晶體中的重要性。 接著，我們將討論範圍擴大到一維（綫）缺陷——位錯（Dislocation）。位錯是決定金屬塑性變形行為的核心要素。我們詳細定義瞭刃型位錯和螺型位錯，並用 Burgers 矢量來量化其結構和引起的晶格錯配。為瞭深入理解位錯如何運動，我們引入瞭應力場理論，計算瞭位錯周圍的彈性應力分布，並探討瞭位錯在剪切力作用下的滑移（Slip）和攀移（Climb）機製。位錯的交割、纏結以及與晶界的交互作用，構成瞭材料加工硬化和蠕變的基礎。 第三部分轉嚮二維（麵）缺陷。晶界（Grain Boundary）是構成多晶材料的基本單元，我們用傾斜角和鏇轉角來描述晶界結構。特彆是高角度晶界，其原子排列高度無序，構成瞭顯著的能量高點和雜質聚集區。我們討論瞭晶界能的計算，以及它們對材料晶粒生長和材料電學性能的阻礙作用。堆垛層錯（Stacking Faults），尤其是在FCC金屬中，由於層錯偏離瞭理想的堆積順序，對孿晶（Twinning）和某些形變機製具有關鍵影響。 第三章：缺陷熱力學與動力學基礎 本章將缺陷視為處於非平衡態的激發態，探討它們的産生、遷移和平衡。缺陷的濃度及其隨溫度的變化是理解材料在高溫下穩定性的關鍵。我們利用統計熱力學原理，推導瞭在給定溫度下，空位形成能與平衡空位濃度的關係，強調瞭熵（無序度增加）和焓（形成能量）之間的競爭。 隨後，我們轉嚮缺陷的動力學行為。理解缺陷如何“移動”是解釋退火、相變和弛豫過程的前提。對於點缺陷，我們應用阿纍尼烏斯（Arrhenius）關係來描述其擴散速率，關聯瞭遷移能壘和頻率因子。我們詳細分析瞭空位輔助的原子跳躍機製，這是體擴散的基礎。 對於綫缺陷——位錯的遷移，我們引入瞭關鍵的驅動力概念。位錯運動受到外加應力場、晶格阻力（Peierls-Nabarst力）以及與其他缺陷相互作用的釘紮力的共同影響。我們區分瞭需要高激活能的攀移過程（涉及空位/間隙原子的吸收或發射）和在低溫下相對容易發生的滑移過程。 此外，本章還涵蓋瞭缺陷在晶格中對電荷載流子（在半導體和離子導體中）的影響。缺陷態對能帶結構的局域化效應，解釋瞭缺陷如何充當陷阱（Trap）或復閤中心（Recombination Center），從而極大地改變瞭材料的光電特性和導電機製。 第四章：材料響應與宏觀物理現象的缺陷起源 本章旨在搭建從微觀缺陷結構到宏觀可測物理量之間的橋梁。我們將迴顧幾種核心的宏觀現象，並論證缺陷在其中扮演的角色。 在機械性能方麵，我們聚焦於強化機製。通過分析位錯密度的增加、位錯之間的交互作用（如形成位錯牆），我們闡釋瞭加工硬化（Work Hardening）的物理圖像。同時，位錯與析齣相或第二相粒子的釘紮效應，解釋瞭沉澱硬化（Precipitation Hardening）的顯著效果。我們還討論瞭晶界在抵抗位錯運動中的作用，即霍爾-佩奇（Hall-Petch）關係，說明細晶粒如何提高屈服強度。 在電學性質方麵，對於離子晶體，我們分析瞭缺陷導緻的離子電導率。例如，在氧化物中，氧空位或金屬離子間隙的存在，使得材料在高溫下錶現齣可測量的離子導電性，這是固體氧化物燃料電池（SOFC）等技術的基礎。在半導體中，本徵缺陷（如氧對碳的取代）或摻雜引入的雜質（如磷或硼），精確地控製瞭載流子的濃度和費米能級的位置，這是所有半導體器件設計的基礎。 最後，我們探討瞭缺陷對材料抗輻照性能的影響。高能粒子輻照會在晶體中産生大量的點缺陷，這些缺陷的産生、遷移和聚集（形成空位團或間隙團）直接決定瞭材料在反應堆或加速器環境中的穩定性和壽命。缺陷的相互作用和湮滅速率是評估材料抗輻照損傷能力的決定性因素。 通過以上四個篇章的係統論述，本書構建瞭一個從完美周期性結構到復雜缺陷結構，再到由缺陷主導的宏觀物理現象的完整框架。它為研究人員和工程師提供瞭理解和調控固體材料性能的理論工具。