Как вакансии влияют на скорость диффузии

Процесс диффузии

Процесс диффузии, точнее гетеродиффузии или химической диффузии в классическом смысле состоит в однородном распределении частиц в каком-то фиксированном объеме пространства, обусловленном хаотическим тепловым движением атомов, возникающем при наличии градиента концентрации данного вещества, и направленном в сторону убывания этой концентрации в той среде, где происходит диффузия. Процесс диффузии противодействует силе тяжести и внутреннему трению. При изготовлении интегральных микросхем обычно применяют диффузию для создания требуемой концентрации носителей заряда (легирования) несколькими элементами. С целью получения заданных профилей концентраций и р—n—переходов, составляющих основу полупроводниковых приборов, проводится серия процессов диффузии. Основными этапами являются: предварительное осаждение примеси и собственно диффузия. При температуре выше температуры Таммана (температура Таммана равна половине температуры плавления данного вещества, выраженной в абсолютных градусах) подвижность узловых атомов решетки становится значительной, и перемещения атомов в решетке являются основным механизмом диффузии. Этот процесс требует относительно большой энергии для движения каждого атома. С меньшей затратой энергии происходит диффузия по границам зерен и вдоль определенных типов дислокаций. Еще меньшей энергией активации обладает диффузия по поверхности; для некоторых материалов она может быть существенна при температурах выше половины температуры Таммана.

Механизм диффузии в идеальных кристаллах. В идеальных монокристаллах возможны различные способы диффузии, не ведущие к нарушению совершенства решетки.

Я. И. Френкелем в 1926 г. была развита кинетическая теория кристаллов, которая дала возможность объяснить низкую энергию активации диффузии. Атомы, находящиеся в узлах кристаллической решетки, испытывают непрерывные тепловые колебания вокруг центра равновесия. Небольшая часть атомов может обладать энергией, значительно превышающей энергию связи атома с узлом решетки. Такие атомы «испаряются» из узлов и переходят в междоузельное пространство, образуя пустой узел — вакансию или дырку и дислоцированный в междоузлии атом. Совокупность вакансии и дислоцированного атома и называют дефектом по Френкелю. Наряду с этим в кристалле могут образовываться только одни вакансии. Если переход в междоузлия затруднен, то какой-либо поверхностный атом может быть выброшен из своего места тепловыми колебаниями, сохраняя частичную связь с телом. Образовавшаяся вакансия перемещается внутрь кристалла путем последовательного заполнения ее атомами. Подобные дефекты называют дефектами по Шоттки. Концентрация дефектов по Френкелю концентрация дефектов по Шоттки где N — концентрация атомов в узлах; М — концентрация междоузлий; — энергия активации перехода атома в междоузлие; — энергия активации образования вакансии. Количество дефектов экспоненциально растет с ростом температуры. Значения и с увеличением температуры уменьшаются, что облегчает дефектообразование. С ростом температуры в кристалле растет количество вакансий. Когда оно достигает величины около одной вакансии на 10 5 узлов, кристалл плавится. Наличие большой концентрации вакансий объясняет также образование трещин. Причиной этого может быть как механическое, так и тепловое воздействие. Быстрое охлаждение после нагрева ведет к замораживанию вакансий, так как ушедшие атомы не успевают заполнить пустые узлы.

Механизм диффузии в реальных кристаллах. В реальных кристаллах могут проходить следующие типы процессов (рис. 4):

смещение атома в междоузлие ( ). При этом возникает структура Френкеля. Затем идет процесс диффузии атома по междоузлиям (рис. 4, a);
смещение атома 1 в междоузлие с последующей диффузией соседа 2 в вакансию 1, оставленную атомом 1, и дальнейшей диффузией атома 3 в вакансию 2, атома 4 в вакансию 3 и т. д. (диффузия по вакансиям с начальным образованием структуры Френкеля) (рис. 4,b);

одновременное смещение двух, трех или четырех атомов в междоузлия с последующим занятием ими вакансий, оставленных друг другом (рис. 4, с),— дублетная, триплетная, соответственно квадруплетная круговая диффузия по междоузлиям и вакансиям;
смещение атома 1 в свободную вакансию [ ], смещение атома 2 в вакансию 1, атома 3 в вакансию 2 и т. д. (диффузия по вакансиям в структурах Шоттки и др.).

Механизмы а,b,с могут иметь место в кристаллах с полностью занятыми узлами. Для твердых тел, где преобладают дефекты по Френкелю, возможны все механизмы диффузии, а для кристаллов с дефектами по Шоттки наиболее характерен четвертый механизм. Процесс диффузии в твердых растворах внедрения происходит благодаря движению примесных атомов по междоузлиям, а в твердых растворах замещения может происходить всеми механизмами.

Влияние примесей в исходном полупроводнике на диффузию. Дефекты типа примесей в исходном материале оказывают влияние на процесс диффузии вследствие двух факторов.

Во-первых, вокруг каждого примесного атома возникает локальная деформация кристаллической решетки, уменьшающая энергию связи соседних атомов между собой, что ведет к возрастанию вероятности образования вакансий. В случае диффузии по вакансиям наличие третьей примесной компоненты способствует увеличению скорости диффузии независимо от того, больше или меньше размер атомов этой компоненты по сравнению с размером атомов основного вещества. Во-вторых, наличие электрического взаимодействия между примесью и диффузантом может привести к возникновению дополнительной связи, которая увеличит или уменьшит энергию активации диффузии. Для германия и кремния диффузия доноров замедляется при наличии акцепторной примеси и ускоряется, если имеется донорная примесь.

Дислокации и диффузия. Вдоль дислокационных линий диффузия идет быстрее, чем через недислоцированную решетку, так как дислокации окружены примесной атмосферой, концентрация которой может превышать равновесную концентрацию примеси в объеме, а на одной стороне дислокации, имеющей краевую компоненту, создается отрицательное давление, способствующее диффузии. В одном направлении эти эффекты действуют для атомов, расширяющих решетку, и в противоположном — для атомов, сжимающих ее.

Кроме того, атомные перемещения происходят более часто в местах относительно беспорядочно расположенных атомов вблизи ядра дислокации, и район дислокации обладает повышенной концентрацией вакансий.

Коэффициент диффузии. Описание диффузионного процесса невозможно без коэффициента диффузии, который зависит от температуры, энергии связи примесных атомов в решетке, концентрации вакансий, постоянной решетки, частоты колебаний атомов решетки и ряда других величин.

Коэффициент диффузии определяет величину плотности потока атомов вещества при заданном градиенте концентрации. Так как диффузионный поток атомов вещества идет в направлении выравнивания перепада концентрации, то коэффициент D(см2/сек) является мерой скорости, с которой система способна при заданных условиях выровнять разность концентраций. Эта скорость зависит только от подвижности диффундирующих атомов в решетке полупроводника. Из анализа кинетики процесса диффузии можно получить, что этот коэффициент определяется выражением , где l— длина перемещения диффундирующего атома при единичном скачке; f — частота скачков в секунду. Температурная зависимость коэффициента диффузии имеет вид (5) где — постоянная, численно равная коэффициенту диффузии при бесконечно большой температуре; — энергия активации диффузии. Энергия активации составляет 2,2—2,6 эВ для большинства элементов в германии и 3,5—4,3 эВ — в кремнии. На рис. 5 представлены графики температурной зависимости, коэффициентов диффузии элементов III и V группы в германии и кремнии. На рис. 6 аналогичные графики даны для быстродиффундирующих элементов других групп в кремнии. Е сли концентрация диффундирующих атомов превосходит собственную концентрацию электронов и дырок в полупроводнике при температуре диффузии, то коэффициент диффузии изменяется по толщине диффузионного слоя вследствие неравномерного распределения концентрации примеси. Из-за большого различия в коэффициентах диффузии примесных атомов и создаваемых ими подвижных носителей заряда, перемещающихся более быстро, возникает область объемного заряда, создающая электрическое поле. Это поле ускоряет диффузию примесных атомов любого типа. Если примесь акцепторная, то подвижные дырки опережают фронт диффузии и создают электрическое поле, тянущее отрицательно заряженные ионы примеси. При диффузии положительно заряженных доноров тянущее поле создают электроны. Зависимость коэффициента диффузии от концентрации имеет вид ; где — собственная концентрация носителей заряда при температуре диффузии.

Связь растворимости и скорости диффузии. Скорость диффузии примесных атомов в металлах и полупроводниках обратно пропорциональна величине их растворимости. Если атомы растворителя и растворенного вещества идентичны, то примесь проникает в кристаллическую решетку в основном по вакансиям, замещая узлы растворителя. В результате образуется твердый раствор замещения и примесные атомы имеют большую величину растворимости. Если растворяемый атом не может замещать узел или не может удержаться там вследствие слабой химической связи, диффузия идет по междоузлиям.

Этот механизм характеризуется большей скоростью диффузии; в то же время в междоузельном пространстве может разместиться небольшое число атомов, что обусловливает малую растворимость. Поэтому в полупроводниках типа германия и кремния элементы III группы обладают большей растворимостью, чем элементы II группы, которые в свою очередь имеют большую растворимость, чем элементы I группы. Внутри группы максимальной растворимостью обладают более легкие элементы. Известно, что в кремнии элементы III группы быстрее диффундируют, чем элементы V группы; для германия характерна обратная картина. Это объясняется взаимодействием между атомами примеси и вакансиями. Вакансии в германии и кремнии являются акцепторами, их энергетические уровни расположены так: + 0,26 эВ (Ge) и — 0,16 эВ (Si). Будучи заряженными, они вступают в кулоновское взаимодействие с диффундирующими ионами примеси — положительно заряженные ионы притягиваются к отрицательно заряженным вакансиям, что облегчает их перемещение. В германии преобладает кулоновское взаимодействие, и доноры диффундируют быстрее, чем акцепторы. В кремнии большинство вакансий находится в нейтральном состоянии, поэтому кулоновское взаимодействие между ними и ионизированными примесными атомами отсутствует. Вследствие значительно большего различия в тетраэдрических ковалентных радиусах атомов акцепторных примесей и атомов кремния по сравнению с атомами донорных примесей и атомами кремния (см. приложение табл. 1) акцепторные примеси, как уже указывалось, диффундируют с большей скоростью, чем донорные.

Особенности диффузии в полупроводниковых соединениях. Структура полупроводниковых соединений может быть представлена в виде двух взаимно проникающих гранецентрированных решеток  , каждая из которых состоит из атомов одного из составляющих элементов. Для соединения типа А III В V диффузия в подрешетке атомов III группы характеризуется меньшей энергией активации, чем соответствующая диффузия в подрешетке V группы. Если диффундирующие атомы нейтральны или однократно ионизованы, то на их движение по вакантным узлам V группы затрачивается большая энергия, чем на движение по вакантным узлам III группы. Это происходит потому, что для образования вакансии в V группе из системы связей требуется удалить 5 электронов, а для образования вакансии в III группе необходимо удалить только 3 электрона. Элементы II группы являются акцепторами, что указывает на замещение ими элементов III группы. Элементы VI группы являются донорами и замещают атомы V группы.

Математическое описание диффузионных процессов применительно к идеальным газам и растворам было впервые предложено в 1855 г. А. Фиком в виде двух законов, основанных на уравнениях теплопроводности.

Первый закон Фика характеризует скорость проникновения атомов одного вещества в другое при постоянном во времени потоке этих атомов и неизменном градиенте их концентрации:

где F — вектор плотности потока атомов вещества; — вектор градиента концентрации диффундирующих атомов; D — коэффициент пропорциональности, или коэффициент диффузии. Скорость диффузии зависит от кристаллографического направления, однако при обычных условиях в полупроводниках обнаруживается только слабая анизотропия. Кроме того, при повышенных температурах в реальном технологическом процессе преимущественное перемещение атомов в наиболее «выгодном» кристаллографическом направлении перекрывается беспорядочным броуновским тепловым движением. Градиент концентрации при объемной диффузии имеет три составляющих по координатным осям. Если глубина диффузии значительно меньше поперечных размеров площади, на которой она происходит, то принимают, что диффузия идет в одном направлении. Одномерное уравнение Фика имеет вид где F(х) — плотность потока, или число атомов вещества, переносимых в единицу времени через единичную площадь; — градиент концентрации диффундирующей примеси в направлении диффузии.

Второй закон Фика определяет скорость накопления растворенной примеси в любой плоскости, перпендикулярной направлению диффузии. Для одномерного случая он имеет вид

где — изменение концентрации диффундирующего вещества со временем. В общей формуле для одномерного случая учитывается возможная зависимость коэффициента диффузии от концентрации примеси, так как частота обмена местами атомов зависит от структуры окружающих участков твердого тела. Если коэффициент D можно считать постоянным, то уравнение диффузии принимает вид: (4) Это допущение справедливо в большинстве практических случаев диффузии в полупроводниках. В идеальных диффузионных системах, где силы взаимодействия между диффундирующими частицами одного порядка величины с силами взаимодействия этих частиц с кристаллической решеткой, движущей силой диффузии является градиент концентрации. Этот случай и характеризует рассмотренный закон Фика. В более общем случае законы Фика следует выражать через градиент уровня химического потенциала. Химический потенциал и является функцией концентрации С, постоянной упругой деформации б и температуры Т соответственно. Первое уравнение Фика в общем виде записывается так: где — коэффициент диффузии, обусловленный наличием градиента концентрации; — коэффициент диффузии, обусловленный наличием градиента упругих напряжений; — коэффициент диффузии, обусловленный наличием градиента температуры. Таким образом, поток вещества определяется градиентами концентрации, упругих напряжений и температуры. Примером диффузии под действием градиента упругих напряжений является восходящая диффузия (рис. 7). При изгибе кристалла атомы различных составляющих твердого раствора, ранее равномерно распределенные по кристаллу, занимают энергетически выгодные для них места: атомы с большим радиусом — в растянутой области, с меньшим радиусом — в сжатой. Конечное положение атомов соответствует равновесному состоянию с минимальной свободной энергией. Такой процесс получил название диффузия «в гору». Таким образом, диффузия стремится уменьшить градиент упругих напряжений или температуры, что сопровождается увеличением градиента концентраций.

Концентрация примеси зависит от температуры и длительности «загонки» — первой стадии диффузии. При малой длительности процесса концентрация примеси на поверхности может быть достаточной, однако она быстро падает по глубине пластины. Увеличение времени «загонки» повышает концентрацию примесей под поверхностью, а концентрационный профиль делает более пологим. По мере того как легирующая примесь проходит через поверхность пластины, может наступить насыщение. Точка насыщения кристаллической решетки пластины легирующей примесью (точка максимальной концентрации) называется границей твердого раствора. Значения концентрации твердого раствора, выражаемые числом атомов в кубическом сантиметре (ат/см 3 ), для широко распространенных примесей (бора, фосфора, мышьяка, галлия, алюминия, и сурьмы) откладываются на графике в зависимости от температуры (в диапазоне 700 . 1400 °С). Эти данные служат для контроля уровня легирования пластины. Значения максимальной растворимости некоторых элементов приведены в приложении, табл. 4.

После «загонки» проводится этап «разгонки», при котором легирующие примеси разгоняются на заданную глубину залегания р—n—перехода. При этом используют такую комбинацию температуры и времени, при которой обеспечивается заданный профиль легирующих примесей. Процесс осуществляется в диффузионной печи в окислительной атмосфере кислорода без добавки дополнительного количества легирующих примесей. После проведения операции диффузии измеряются глубина залегания р-n-переходов и поверхностное сопротивление пластин. Поскольку при изготовлении интегральных микросхем диффузия применяется многократно, а глубина залегания примесей увеличивается с каждой стадией диффузии, то требуется тщательный анализ влияния этих многократных стадий. Одним из методов уменьшения глубины залегания при каждой новой стадии «разгонки» является проведение в первую очередь наиболее высокотемпературной диффузии. При этом сначала используются примеси с самым высоким показателем растворимости и малым коэффициентом диффузии (например, мышьяк), а затем менее растворимые примеси с большим значением коэффициента диффузии (например, фосфор). Диффузионные установки снабжаются микропроцессорами для автоматического управления их работой, достижения большей точности легирования и создания очень тонких слоев.

08.05.2015 60.85 Кб 31 Курсовая работа. 2 вариант.docx

16.03.2016 684.03 Кб 16 Курсовая работа. Никитин.doc

08.05.2015 35.27 Кб 36 Курсовая работа_ЗФ.docx

08.05.2015 134.66 Кб 36 Курсовая работа_ОТМ.doc

20.11.2019 3.35 Mб 3 Курсовая РГЧ [Ринат].doc

11.11.2018 869.38 Кб 18 КУРСОВАЯ рм.doc

08.12.2018 775.3 Кб 15 курсовая с рамками по резке 2 олек(пересчитанны. docx

15.07.2019 1.39 Mб 2 курсовая света.DOC

08.05.2015 36.07 Кб 13 Курсовая химия.docx

21.11.2018 868.2 Кб 3 Курсовая ЦА.docx

03.09.2019 189.44 Кб 3 Курсовая Эк. оц. инв..doc

Ограничение

Для продолжения скачивания необходимо пройти капчу:

Влияние структурных дефектов на кинетику диффузионных процессов Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

ПОДЛОЖКА / SUBSTRATE / КРЕМНИЙ / SILICON / ЭПИТАКСИЯ / EPITAXY / ОКИСЛЕНИЕ / OXIDATION / ДЕФЕКТЫ / DEFECTS / ДИСЛОКАЦИЯ / DISLOCATION / ПОЛУПРОВОДНИКИ / SEMICONDUCTORS / ТЕХНОЛОГИЯ / TECHNOLOGY / МЕТОД / METHOD / МАТЕРИАЛ / MATERIAL / КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА / CRYSTAL STRUCTURE / ОБЪЕМ / VOLUME / ДИФФУЗИЯ / DIFFUSION / ПОВЕРХНОСТНАЯ КОНЦЕНТРАЦИЯ / SURFACE CONCENTRATION

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Саркаров Таджидин Экберович

В настоящее время разработано различные методы контроля, основанных на различных физических принципах и обладающих широким набором возможностей, различной чувствительностью, многообразием областей применения.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

THE INFLUENCE OF STRUCTURAL DEFECTS ON THE KINETICS OF DIFFUSION PROCESSES

At present there are various methods of control, based on various physical principles and possessing a wide variety of different sensitivity, diversity of applications.

Текст научной работы на тему «Влияние структурных дефектов на кинетику диффузионных процессов»

УДК 621.382.002 Саркаров Т.Э.

ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНЫХ ДЕФЕКТОВ НА КИНЕТИКУ ДИФФУЗИОННЫХ ПРОЦЕССОВ

THE INFLUENCE OF STRUCTURAL DEFECTS ON THE KINETICS OF DIFFUSION PROCESSES

Ключевые слова: подложка, кремний, эпитаксия, окисление, дефекты, дислокация, полупроводники, технология, метод, материал, кристаллическая структура, объем, диффузия, поверхностная концентрация.

At present there are various methods of control, based on various physical principles and possessing a wide variety of different sensitivity, diversity of applications.

Key words: substrate, silicon, epitaxy, oxidation, defects, dislocation, semiconductors, technology, method, material, crystal structure, volume, diffusion, surface concentration.

Развитие электронной техники на современном этапе характеризуется непрерывной сменой поколений интегральных устройств, создание которых базируется на внедрении новых материалов и более совершенных технологических процессах. Развитие микроэлектроники на всех ее этапах определялось успехами, достигнутыми в технологии новых материалов и тонкопленочной технологии. Тонкие пленки металлов, полупроводников и диэлектриков в настоящее время являются основой элементной базы всех интегральных устройств. Так, большие и сверхбольшие интегральные микросхемы, микропроцессоры на одном кристалле, устройства на приборах с зарядовой связью, элементы оптоэлектроники и интегральной оптики, а также другие изделия функциональной электроники изготавливаются с помощью методов и процессов тонкопленочной технологии. Тенденция к микроминиатюризации и повышению степени интеграции привела к использованию объектов нанометровых размеров, что вызвало развитие нового направления — наноэлектроники и новой технологии -нанотехнологии. В результате научных исследований появились новые подходы к синтезу пленочных структур, новые процессы и технологическое оборудование.

В начале своего развития электронная промышленность представляла собой отрасль техники, целиком основанную на операциях сборки, и позволяла реализовать весьма сложные функции путем объединения множества элементов в одном изделии. При этом значительная часть прироста стоимости изделий была связана с процессом сборки. Основными этапами этого процесса являлись этапы проектирования, выполнения и проверки соединений между электронными компонентами. Функции и размеры устройств, которые могли быть реализованы на практике, ограничивались количеством используемых компонентов, их физическими размерами и надежностью.

Исходным сырьем для электронной технике является поликристаллический кремний, из которого затем получают монокристаллические слитки, обладающие

необходимыми электрофизическими свойствами. После проведения подготовительных технологических циклов (механической обработки слитков, подготовки основных и дополнительных базовых срезов, резки слитка кремния на пластины, травления поверхности и полировки) он должен обладать следующими свойствами:

• быть химически чистым полупроводником (например, концентрация бора или углерода в кремнии не должна превышать 10-7 ат. % и 2*10-4 ат. % соответственно); обладать свойствами монокристалла и иметь малое число дефектов;

• иметь однородные свойства по объему, в частности, относительно контролируемой концентрации легирующей примеси;

• иметь идеальную поверхность, необходимую для реализации планарной технологии.

После финишной полировки кремний представляет собой зеркально отполированную с одной стороны монокристаллическую пластину диаметром 15 — 40 см и толщиной 0,5 — 0,6 мм с различной ориентацией поверхности. Дополнительные и основные срезы сделаны для более легкого распознавания пластин с разным типом проводимости и ориентацией поверхности.

Кремний применяется на изготовление практически всех существующих в настоящее время полупроводниковых приборов (транзисторов, тиристоров, диодов и др.) и изделий микроэлектроники — интегральных схем. Интегральные устройства — основное место использования кремния в настоящее время. Кремниевые интегральные схемы и микропроцессоры являются основными компонентами вычислительной техники и автоматики.

Рост окислительных дефектов зависит от ориентации полупроводниковых подложек, типа проводимости и наличия зародышей дефектов. Экспериментальные наблюдения показывают, что скорость роста для подложек с ориентацией поверхности (100) выше, чем для подложек с ориентацией поверхности (111).

Большинство дефектов возникает на поверхности раздела пленка-подложка. Это обусловлено тем, что поверхность подложки обычно несовершенна, на ней встречаются царапины от абразива, примесные атомы, остатки окисной пленки и пр.

Обычно на хорошо обработанных подложках чаще встречаются дефекты в форме треугольников, так как боковое развитие центров кристаллизации происходит более правильно. Плохо обработанным подложкам сопутствуют линейные дефекты и дефекты в форме треугольников, обнаруживаемых с помощью оптического микроскопа без предварительной химической обработки.

Термическое окисление кремния может приводить к возникновению дефектов упаковки, располагающихся в плоскостях (111). Эти плоские дефекты представляют собой структурные несовершенства решетки кремния, которые по своей природе являются дефектами типа внедрения и ограничены частичными дислокациями. Механизм роста этих дефектов заключается в избыточных атомов кремния в кремниевой решетке на зародышевых местах, в роли которых выступают дефекты, образовавшиеся в ходе выращивания кристалла, механические повреждения поверхности подложек, введенные перед окислением, химические загрязнения или дефекты, обычно называемые плоскодонными ямками или бугорками. В результате процесса окисления на границе раздела фаз Si-SiO2 присутствуют избыточные межузельные атомы кремния. Малая часть этих атомов диффундирует вглубь кремния. Пересыщение объема кремния собственными межузельными атомами определяет скорость роста дефектов упаковки. Альтернативный механизм возникновения дефектов упаковки предполагает уменьшение концентрации вакансий вблизи границы раздела фаз Si-SiO2.

Возникновение дефектов на полупроводниковых подложках является причиной ухудшения характеристик p-n переходов (это проявляется в увеличении обратных токов утечки) и уменьшения времени хранения заряда в МОП -структурах. Дислокация по сравнению с дефектами упаковки представляют собой предпочтительное место для

кластерообразования, поскольку являются областью разрыва решетки, обладающей высокой энергией. Диффундирующие атомы примеси стремятся расположиться в области обладающей высокой энергией, т.е. термодинамически более выгодной для размещения атомов примеси.

Кристаллическое твердое тело состоит из множества повторяющихся и примыкающих друг к другу элементарных ячеек. Структура кристалла никогда не бывает идеальной — ни в объеме, ни тем более на поверхности. Всегда имеются дефекты решетки и дислокации. Эти структурные несовершенства сильнейшим образом влияют на процесс диффузии в твердых телах.

1. Дефекты решетки могут иметь вид пустого узла (дефект по Шоттки) или совокупность пустого узла и междуузельного атома (дефект по Френкелю). Такие дефекты называются дефектами точечного типа (рис. 1.а,б). Их образование неизбежно, а концентрация подчиняется термодинамической закономерности — резко увеличивается с ростом температуры. Распределение точечных дефектов по объему кристалла близко к равномерному.

Концентрация дефектов по Шоттки (вакансий ) экспоненциально зависит от температуры:

где ^0 — число узлов в кристаллической решетке (в расчете на 1 см3); ^ —

свободная энергия образования вакансий, равная ^^ и ^ — энергия и

энтропия образования вакансий соответственно. Концентрация дефектов по

Френкелю также определяется экспоненциальной зависимостью:

где — количество междуузлий (в расчете на 1 см3).

Любой реальный кристалл содержит примеси — либо паразитные, от которых не удается избавиться при очистке материала, либо полезные, которые вводятся специально для получения необходимых свойств кристалла. Каждый примесный (т.е. чужеродный) атом равносилен точечному дефекту решетки. Примесные атомы могут располагаться в междуузлиях атомов (примесь внедрения — 1 (рис. 1в)), либо в самих узлах вместо основных атомов (примесь замещения — 2 (рис. 1в)). Последний вариант более распространен. Точечные дефекты могут образовываться при радиационных воздействиях.

2. Дислокации т.е. смещения плоскостей решетки, бывают линейные (краевые) и винтовые (спиральные). Первые — результат сдвига части решетки вдоль какой-либо плоскости по глубине (рис. 2а). Вторые — результат полного (по всей глубине) сдвига некоторого участка решетки (рис. 2б).

3. Помимо дислокаций в пластинах кристалла имеют место макроскопические дефекты типа микротрещин, пор (пузырьков) и т.п. Все это потенциальные причины возникновения брака полупроводниковых приборов и интегральных микросхем.

Рисунок 1 — Точечные дефекты кристаллической решетки

4. Предельным случаем беспорядочных дислокаций можно считать поликристалл, состоящий из множества монокристаллических зерен (микрокристаллов) с разной ориентацией, тесно примыкающих друг к другу.

5. Еще одним дефектом, значительно влияющим на протекание процесса диффузии в твердом теле, является поверхность.

Согласно атомной теории диффузии, элементарный акт диффузии — это скачок атома диффундирующего вещества на свободное, незанятое место (например, вакансию или междуузелье). Математически коэффициент диффузии можно записать в этом случае следующим образом:

где У — геометрический фактор, а — параметр решетки, Г — частота скачков.

Если бы в реальных кристаллах присутствовали только точечные дефекты, т.е. равновесные вакансии и междуузельные атомы, то коэффициент диффузии определялся бы только температурой и при температурах ниже температуры Таммана, равной половине температуры плавления для данного материала, был бы незначительным. Однако как показывают эксперименты, для реальных кристаллов при низких температурах скорость диффузии остается довольно высокой и на 2^3 порядка выше теоретической. Такое значительное изменение коэффициента диффузии связано с влиянием на диффузионный перенос таких дефектов кристаллической решетки, как избыточные (неравновесные) вакансии, дислокации, границы зерен и внешняя поверхность кристалла. Наиболее существенное влияние на диффузию оказывают не сами избыточные вакансии, а их потоки, появляющиеся из-за наличия градиентов концентрации вакансий между стоком, где концентрация равновесная и вдали от него, где преобладает их избыточная концентрация. Вакансионные потоки вызывают равные по величине и противоположно направленные потоки собственных или примесных атомов. Стоками для вакансий служат границы блоков и зерен, свободная поверхность кристаллов, а также дислокации.

Особая роль в процессе диффузии принадлежит дислокациям и границам зерен. Эта роль сводится к тому, что они играют роль «ускоряющих путей диффузии», т.е. таких участков, где коэффициент диффузии по сравнению с остальной частью кристалла максимален. Увеличение коэффициента диффузии при диффузионном переносе атомов по дислокациям и границам зерен связано с уменьшением энергии активации диффузии. Влияние ускоряющих путей диффузии проявляется при низких температурах, так при температурах, меньших 2/3 от температуры плавления, для многих поликристаллов общий коэффициент диффузии полностью определяется диффузией по границам зерен, дислокациям или поверхности. Таким образом, при нормальных температурах работы ИМС диффузионный механизм деградационных процессов сильно зависит от дефектности структуры.

Дислокация представляет собой край оборванной, незавершенной плоскости и расположена вдоль линий, образующих пространственную решетку. Для кубической решетки, приведенной на рисунке, протяженность дислокации перпендикулярна плоскости чертежа. В целях упрощения рассматриваем только один вид дислокаций, наиболее характерный для монокристаллов полупроводников.

Возникновение дислокаций в кристаллах является следствием механических напряжений — реакций на внешнее нагружение или внутренних термических напряжений, неизбежных при выращивании кристалла. Дислокации и их перемещение под нагрузкой объясняют пластичность металлов. Перемещение дислокаций, их взаимодействие с вакансиями и между собой, образование скоплений и петель — объект механической теории дислокаций.

Влияние дислокаций на электрические свойства объясняется тем, что они нарушают однородность распределения электронов в кристалле, создавая микрообласти с оборванными, ненасыщенными связями и повышенной внутренней энергией. Дислокация

создает силовое поле, которое проявляется, в частности, в том, что примеси как бы втягиваются, всасываются в эту область, и в результате их распределение в объеме кристалла становится неоднородным.

Очевидно, что материалами, наиболее чутко реагирующими на содержание дислокаций, являются полупроводники.

Дислокации можно непосредственно наблюдать в электронном микроскопе, но наиболее простым способом их выявления служит химическое травление поверхностного слоя кристалла. Для этого необходим такой реагент, который быстрее растворяет напряженные и обогащенные примесями участки кристалла, окружающие дислокации, и обеспечивает так называемое селективное, или избирательное травление. Количество «выходов» дислокаций на плоскость травления оценивается по числу ямок, поэтому за характеристику принимается плотность дислокаций, см-2. Обычная для искусственных монокристаллов плотность дислокаций — 104 . 105 см~2; в кремнии удается за счет тонкого регулирования условий роста снизить ее до единиц на 1 см2. Такие совершенные кристаллы называют бездислокационными.

Структурные дефекты, имеющие два измерения, называются поверхностными. При этом имеется в виду не только внешняя поверхность, которая отличается оборванными связями и повышенной энергией, но и внутренние поверхности — плоские или искривленные, разделяющие двойники и несильно (не более чем на единицы градусов) разориентированные зерна (рис. 2).

Для выявления дефектов дислокации использовался селективный травитель «Дэша», состоящий из следующих компонентов: азотной кислоты (НЫОз), плавиковой кислоты (НБ) и уксусной кислоты (СНзСООН) в соотношении компонентов 5:1:15.

Процесс проводят на установке химической обработки. Фторопластовые кассеты с кремниевыми пластинами загружают в селективный травитель «Дэша». Травление проводится при температуре 298 К, время травления составляет 145+5 минут. Затем фторопластовые кассеты с кремниевыми пластинами перекладывают в стоп — ванну для отмывки в деионизованной воде. После чего отмывку ведут в двух ваннах с переливом на четыре стороны, при расходе деионизованной воды 500 л/ч. Длительность отмывки по 5 минут в каждой из ванн.

Количество светящихся точек составило 5 шт. Суммарное количество дефектов дислокации -450+50 шт/см2.

Таким образом, обработка в селективном травителе позволяет выявить дефекты дислокации и дает возможность получения ровной, ненарушенной поверхности кремниевых пластин, что позволяет улучшить качество поверхности эпитаксиальных структур.

Поверхностные дефекты являются грубыми нарушениями структуры, обычно они легко различимы и свидетельствуют о браке кристалла. Современная технология выращивания кристаллов позволяет свести и концентрацию к минимуму.

Последний вид дефектов — трехмерные или объемные дефекты (раковины, трещины, инородные включения). Они охватывают большую область кристалла, энергетически невыгодны, и для налаженной технологии их образование нехарактерно.

Таким образом, структурное совершенство выпускаемых промышленностью кристаллов определяется главным образом точечными дефектами и дислокациями.

Различная их концентрация, характерная для кристаллов, полученных разными методами, резко осложняет оценку пригодности материала для конкретных целей.

Свойства всех материалов определяются их химическим составом и структурой, т.е. набором атомов различных элементов и их взаимным пространственным расположением. Если материал обладает кристаллической структурой, то существенное влияние на свойства оказывают нарушения правильного строения кристаллической решетки -дефекты. В ряде случаев весьма важными оказывается структура поверхности материалов и элементный состав адсорбированных на ней слоев. Отклонения этих характеристик от

заданных влияют на качество материалов электронной техники, меняют их свойства и требуют контроля с помощью специально разработанных методов. При этом следует иметь в виду, что не существует единственного, универсального метода изучения структуры и состава вещества (или других характеристик), пригодного во всех случаях.

В настоящее время разработаны различные методы контроля, основанные на различных физических принципах и обладающие широким набором возможностей, различной чувствительностью, многообразием областей применения.

Поэтому интенсивно развиваются новые методы исследования строения кристаллов, такие, как рентгеновский микроанализ, растровая электронная микроскопия, спектроскопия, нейтронография и т. д.

1. Ефимов И.Е., Горбунов Ю.И., Козырь И.Я. Микроэлектроника. Проектирование, виды микросхем, новые направления. М.: Высшая школа, 1987, 312 с.

2. Ефимов И.Е., Козырь И.Я. Основы микроэлектроники. М.: Высшая школа, 1983, 384 с.

3. Пичугин И. Г., Таиров Ю. М. Технология полупроводниковых приборов. -М.: Высшая школа, 1984, -С.122.

Скорость диффузии: основные принципы и факторы влияния

Статья рассматривает основные аспекты и принципы диффузии, включая определение скорости диффузии, факторы, влияющие на нее, закон Фика, связь со концентрацией и температурой, а также примеры диффузии в повседневной жизни и практическое применение.

Скорость диффузии: основные принципы и факторы влияния обновлено: 2 сентября, 2023 автором: Научные Статьи.Ру

Помощь в написании работы

Введение

Добро пожаловать на лекцию по физике! Сегодня мы будем говорить о скорости диффузии. Диффузия – это процесс перемещения частиц из области с более высокой концентрацией в область с более низкой концентрацией. Скорость диффузии зависит от различных факторов, таких как концентрация, температура и свойства вещества. Мы рассмотрим закон Фика, который описывает связь между скоростью диффузии и концентрацией. Также мы рассмотрим примеры диффузии в повседневной жизни и практическое применение этого явления. Давайте начнем!

Нужна помощь в написании работы?

Мы — биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.

Определение скорости диффузии

Скорость диффузии – это физическая величина, которая описывает, с какой скоростью происходит перемешивание или распространение частиц вещества в пространстве. Диффузия происходит вследствие теплового движения частиц, которые перемещаются от области с более высокой концентрацией к области с более низкой концентрацией.

Скорость диффузии зависит от различных факторов, таких как разность концентраций, температура, размер и форма частиц, а также свойства среды, в которой происходит диффузия.

Диффузия может происходить в различных средах, включая газы, жидкости и твердые тела. В газах диффузия происходит быстрее, чем в жидкостях, а в жидкостях – быстрее, чем в твердых телах.

Скорость диффузии может быть определена с помощью закона Фика, который устанавливает, что скорость диффузии пропорциональна разности концентраций и обратно пропорциональна квадратному корню времени.

Скорость диффузии имеет важное практическое применение в различных областях, таких как химия, физика, биология и инженерия. Например, в химических реакциях диффузия играет важную роль в перемешивании реагентов и продуктов, а в биологии – в процессе дыхания и обмена газами в организмах.

Факторы, влияющие на скорость диффузии

Скорость диффузии зависит от нескольких факторов, которые оказывают влияние на перемещение частиц вещества. Рассмотрим основные из них:

Разность концентраций

Одним из основных факторов, влияющих на скорость диффузии, является разность концентраций. Чем больше разница в концентрации между двумя областями, тем быстрее будет происходить перемещение частиц от области с более высокой концентрацией к области с более низкой концентрацией. Это связано с тем, что частицы стремятся равномерно распределиться в пространстве.

Температура

Температура также оказывает влияние на скорость диффузии. При повышении температуры частицы вещества получают больше энергии и начинают двигаться быстрее. Это приводит к увеличению скорости диффузии. В обратном случае, при понижении температуры, скорость диффузии уменьшается.

Размер и форма частиц

Размер и форма частиц также влияют на скорость диффузии. Маленькие частицы имеют большую поверхность в сравнении с их объемом, что позволяет им быстрее перемещаться и диффундировать. Кроме того, форма частиц может создавать препятствия для их перемещения, что может замедлить скорость диффузии.

Свойства среды

Свойства среды, в которой происходит диффузия, также влияют на скорость этого процесса. Например, в газах диффузия происходит быстрее, чем в жидкостях, а в жидкостях – быстрее, чем в твердых телах. Это связано с различиями в межмолекулярных взаимодействиях и подвижности частиц в разных средах.

Учитывая все эти факторы, можно предсказать и контролировать скорость диффузии в различных системах и условиях. Это имеет важное значение в научных и технических областях, где диффузия играет важную роль в различных процессах и явлениях.

Закон Фика и его формулировка

Закон Фика – это основной закон, описывающий процесс диффузии. Он был сформулирован английским физиком Джеймсом Фиком в середине XIX века. Закон Фика устанавливает связь между скоростью диффузии и разностью концентраций вещества.

Первый закон Фика

Первый закон Фика, также известный как закон Фика о диффузии, утверждает, что скорость диффузии пропорциональна градиенту концентрации вещества. Формулировка первого закона Фика выглядит следующим образом:

J – поток диффузии (количество вещества, переносимое через единицу площади в единицу времени)
D – коэффициент диффузии (показатель, характеризующий способность вещества к диффузии)
∇C – градиент концентрации (разность концентраций вещества в разных точках пространства)

Знак минус перед произведением D и ∇C указывает на то, что поток диффузии направлен от области с более высокой концентрацией к области с более низкой концентрацией.

Второй закон Фика

Второй закон Фика, также известный как закон Фика о проводимости, утверждает, что скорость диффузии пропорциональна второй производной концентрации вещества по координате. Формулировка второго закона Фика выглядит следующим образом:

∂C/∂t – изменение концентрации вещества по времени
∇²C – вторая производная концентрации вещества по координате

Второй закон Фика позволяет описывать изменение концентрации вещества во времени и пространстве.

Закон Фика имеет широкое применение в различных областях, таких как химия, физика, биология и инженерия. Он позволяет предсказывать и контролировать процессы диффузии и является основой для разработки различных технологий и материалов.

Связь скорости диффузии с концентрацией и температурой

Скорость диффузии вещества зависит от его концентрации и температуры. Эти два фактора оказывают влияние на движение молекул и их способность перемещаться в пространстве.

Концентрация

Концентрация вещества определяет количество молекул этого вещества в единице объема. Чем выше концентрация, тем больше молекул, которые могут диффундировать. Поэтому, при повышении концентрации, скорость диффузии увеличивается. Это связано с тем, что большее количество молекул создает более интенсивное взаимодействие и сталкивается с меньшим сопротивлением при перемещении.

Однако, при достижении определенной концентрации, скорость диффузии может достичь предела, так как молекулы начинают взаимодействовать друг с другом и создавать барьеры для диффузии. Это явление называется насыщением диффузии.

Температура

Температура влияет на скорость диффузии путем изменения энергии молекул. При повышении температуры, молекулы получают больше энергии и начинают двигаться быстрее. Это увеличивает вероятность столкновений и перемещения молекул вещества.

Таким образом, при повышении температуры, скорость диффузии увеличивается. Это объясняется увеличением средней кинетической энергии молекул и ускорением их движения.

Однако, при очень высоких температурах, молекулы могут сталкиваться с большей силой и частотой, что может привести к образованию новых связей и изменению структуры вещества. В таких случаях, скорость диффузии может снижаться или изменяться нелинейно.

В целом, связь между скоростью диффузии, концентрацией и температурой может быть описана с помощью закона Фика и других математических моделей. Это позволяет ученым и инженерам предсказывать и контролировать процессы диффузии в различных системах и применять их в различных областях науки и технологии.

Примеры диффузии в повседневной жизни

Аромат распространяется в комнате

Когда вы открываете флакон с ароматом или разливаете духи, ароматные молекулы начинают диффундировать в воздух. Они перемещаются от места с более высокой концентрацией (флакона или вашей кожи) к месту с более низкой концентрацией (воздуха в комнате). Это позволяет вам почувствовать запах аромата даже на расстоянии.

Распространение запаха еды

Когда вы готовите еду, запахи от нее начинают распространяться по всей кухне и даже за ее пределами. Это происходит благодаря диффузии молекул запаха в воздухе. Молекулы запаха перемещаются от места с более высокой концентрацией (еды) к месту с более низкой концентрацией (воздуха в кухне и других помещениях). Это позволяет вам почувствовать запах еды, даже если вы находитесь в другой комнате.

Распространение краски в воде

Когда вы добавляете краску в воду, она начинает распространяться и равномерно распределяться по всему объему воды. Это происходит благодаря диффузии молекул краски в воде. Молекулы краски перемещаются от места с более высокой концентрацией (область, где вы добавили краску) к месту с более низкой концентрацией (остальная часть воды). Это позволяет краске равномерно распределиться и окрасить всю воду в нужный цвет.

Распространение дыма

Когда вы курите или горит что-то, дым начинает распространяться в воздухе. Это происходит благодаря диффузии молекул дыма в воздухе. Молекулы дыма перемещаются от места с более высокой концентрацией (место, где горит сигарета или что-то горящее) к месту с более низкой концентрацией (воздух в комнате). Это позволяет дыму распространяться и заполнять пространство вокруг вас.

Распространение антиперспиранта на коже

Когда вы наносите антиперспирант на кожу, активные ингредиенты начинают диффундировать в потовые железы. Они перемещаются от места с более высокой концентрацией (антиперспирант) к месту с более низкой концентрацией (потовые железы). Это позволяет антиперспиранту блокировать потовые железы и предотвращать потоотделение.

Это лишь некоторые примеры диффузии в повседневной жизни. Диффузия является важным процессом, который происходит в различных системах и позволяет перемещаться молекулам и веществам в пространстве.

Практическое применение скорости диффузии

Процессы очистки воздуха

Скорость диффузии играет важную роль в процессах очистки воздуха. Например, при использовании фильтров воздуха, молекулы загрязнений диффундируют через материал фильтра, где они задерживаются и удаляются из воздуха. Скорость диффузии определяет, насколько быстро загрязнения могут проникнуть через фильтр и насколько эффективно фильтр может очистить воздух.

Процессы абсорбции и десорбции

Скорость диффузии также играет важную роль в процессах абсорбции и десорбции. Например, при использовании газовых абсорбентов, молекулы газа диффундируют через поверхность абсорбента, где они взаимодействуют с активными центрами и абсорбируются. Скорость диффузии определяет, насколько быстро газ может проникнуть через поверхность абсорбента и насколько эффективно абсорбент может поглотить газ.

Процессы диффузионного покрытия

Скорость диффузии также используется в процессах диффузионного покрытия. Например, при нанесении покрытия на поверхность материала, молекулы покрытия диффундируют через поверхность материала и образуют равномерное покрытие. Скорость диффузии определяет, насколько быстро молекулы покрытия могут проникнуть через поверхность материала и насколько равномерно покрытие будет распределено.

Процессы диффузии в живых организмах

Скорость диффузии играет важную роль в различных процессах, происходящих в живых организмах. Например, диффузия кислорода из легких в кровь и диффузия питательных веществ из крови в клетки осуществляются благодаря скорости диффузии. Скорость диффузии определяет, насколько быстро молекулы могут перемещаться через мембраны и обеспечивать необходимые процессы обмена веществ в организме.

Это лишь некоторые примеры практического применения скорости диффузии. Понимание этого процесса позволяет разрабатывать и улучшать различные технологии и методы, связанные с очисткой воздуха, абсорбцией, покрытием и другими областями.

Таблица сравнения скорости диффузии

Факторы	Влияние на скорость диффузии
Температура	При повышении температуры скорость диффузии увеличивается
Концентрация	При увеличении разности концентраций скорость диффузии увеличивается
Площадь поверхности	При увеличении площади поверхности скорость диффузии увеличивается
Масса частиц	Масса частиц влияет на скорость диффузии: частицы с большей массой диффундируют медленнее
Размер частиц	Меньшие частицы диффундируют быстрее, чем большие частицы

Заключение

Скорость диффузии – это скорость перемещения частиц вещества от области с более высокой концентрацией к области с более низкой концентрацией. Она зависит от различных факторов, таких как температура, концентрация и свойства вещества. Закон Фика описывает связь между скоростью диффузии и концентрацией. Понимание скорости диффузии имеет практическое применение в различных областях, таких как химия, физика и биология. Понимание этого процесса помогает нам объяснить множество явлений в повседневной жизни, таких как распространение запахов или растворение веществ в жидкостях.

Скорость диффузии: основные принципы и факторы влияния обновлено: 2 сентября, 2023 автором: Научные Статьи.Ру

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОГО КОЭФФИЦИЕНТА ДИФФУЗИИ ВАКАНСИЙ В УЛЬТРАДИСПЕРСНОМ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОМ ЖЕЛЕЗЕ И ЕГО ВЛИЯНИЯ НА РЕЖИМЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ Текст научной статьи по специальности «Физика»

ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОЕ ЖЕЛЕЗО / УЛЬТРАДИСПЕРСНЫЕ ПОКРЫТИЯ / ДИФФУЗИЯ / КОЭФФИЦИЕНТ ДИФФУЗИИ / ОТЖИГ / СТАРЕНИЕ / МЕЖЗЕРЕННАЯ ДИФФУЗИЯ / ВАКАНСИИ / ДИСЛОКАЦИИ / ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ПОКРЫТИЯ / ELECTROLYTIC IRON / ULTRA-DISPERSED COATINGS / DIFFUSION / DIFFUSION COEFFICIENT / ANNEALING / AGING / INTERGRAIN DIFFUSION / VACANCIES / DISLOCATIONS / GALVANIC COATINGS

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Венедиктов Анатолий Николаевич, Овсянников Виктор Евгеньевич, Венедиктов Николай Леонидович

Введение. Электролитическое железнение широко применяется для повышения износостойкости и твердости поверхности, а также для восстановления изношенных деталей машин, однако, свойства гальванических покрытий в ходе эксплуатации могут изменяться, и даже длительное старение не приводит к стабилизации свойств. Сокращение времени стабилизации достигается термической обработкой, расчет режимов которой для ультрадисперсных покрытий целесообразно проводить, основываясь на законах диффузии точечных дефектов. Цель работы. Рассчитать эффективный коэффициент диффузии , учитывающий зернограничную диффузию в ультрадисперсном электролитическом железе и на основании его найти режимы термической обработки, необходимые для стабилизации свойств покрытий. Методы исследования. Применялись: растровая и просвечивающая электронная микроскопия — для изучения зеренной структуры и межзеренных границ; термодинамические расчеты — для нахождения коэффициентов диффузии ; программа Comsol Multiphysics — для определения температуры и времени, необходимых для стабилизации свойств железа. Результаты и обсуждения. Получено выражение для определения коэффициента эффективной диффузии для электролитического ультрадисперсного железа, учитывающее влияние межзеренных границ. Термодинамические расчеты показали, что, по сравнению с объемным эффективный коэффициент диффузии может быть на два порядка выше и во многом определяется размером зерна. Методом микроструктурного анализа установлены режимы получения ультрадисперсного покрытия с большой долей межзеренных границ и экспериментально подтверждено, что вклад зернограничной диффузии имеет смысл учитывать при размерах зерен менее 100 нм, которые соответствуют жестким режимам осаждения покрытий. Компьютерное моделирование показало, что температура отжига ультрадисперсных железных покрытий может быть снижена на 50 °С по сравнению с ранее известными данными.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

DETERMINATION OF THE EFFECTIVE DIFFUSION COEFFICIENT OF VACANCIES IN ULTRADISPERSED ELECTROLYTIC IRON AND ITS EFFECT ON HEAT TREATMENT CONDITIONS

Introduction. Electrolytic iron plating is widely used to improve the wear resistance and hardness of surfaces, as well as restoring worn machine parts. However, the properties of electroplated coatings can change during operation, and even prolonged aging does not lead to stabilization of these properties. Reduction the stabilization time is achieved by heat treatment, the calculation of which regimes for ultra-dispersed coatings should be carried out based on the diffusion laws of point defects. Goal of the work is to calculate the effective diffusion coefficient, taking into account the grain boundary diffusion in the ultra-dispersed electrolytic iron and, on the basis of this coefficient, to find the conditions of heat treatment necessary to stabilize the properties of coatings. Methods of research. Scanning and transmission electron microscopy are used to study the grain structure and intergrain boundaries; thermodynamic calculations are applied in order to find diffusion coefficients; the Comsol Multiphysics program is selected to determine the temperature and time required to stabilize the properties of iron. Results and discussion. An expression for determining the effective diffusion coefficient for ultra-dispersed electrolytic iron , taking into account the influence of intergrain boundaries is obtained. Thermodynamic calculations have shown that, in comparison with the volume coefficient, the effective diffusion coefficient can be two orders of magnitude higher and is largely determined by the size of the grain. Using the method of microstructural analysis, the conditions for obtaining ultradispersed coatings with a large proportion of intergrain boundaries are determined and it is experimentally confirmed that it makes sense to take into account the contribution of grain boundary diffusion , when grain sizes are less than 100 nm, which corresponds to hard conditions of coating deposition. Computer simulation showed that as compared to previously known data, the annealing temperature of ultradispersed iron coatings can be reduced by 50 °C.

Текст научной работы на тему «ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОГО КОЭФФИЦИЕНТА ДИФФУЗИИ ВАКАНСИЙ В УЛЬТРАДИСПЕРСНОМ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОМ ЖЕЛЕЗЕ И ЕГО ВЛИЯНИЯ НА РЕЖИМЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ»

Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2019 Том 21 № 3 с. 106-114 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2019-21.3-106-114

Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)

Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov

АБОТКА i 1чАЛЛОВ

ТЕХНОЛОГИЯ ОБОРУДОВАНИЕ ИНСТРУМЕНТЫ

Определение эффективного коэффициента диффузии вакансий в ультрадисперсном электролитическом железе и его влияние на режимы термической обработки

Анатолий Венедиктов а’ , Виктор Овсянников ь, Николай Венедиктов с

Тюменский индустриальный университет, ул. Володарского, 38, г. Тюмень, 625000, Россия

//orcid.org/0000-0002-6899-4297. © аппайоНум^паП.сот. Ь https://orcid.org/0000-0002-7193-7197. О уУ^ООЙтаП.ги,

ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ

Введение. Электролитическое железнение широко применяется для повышения износостойкости и твердости поверхности, а также для восстановления изношенных деталей машин, однако свойства гальванических покрытий в ходе эксплуатации могут изменяться, и даже длительное старение не приводит к стабилизации свойств. Сокращение времени стабилизации достигается термической обработкой, расчет режимов которой для ультрадисперсных покрытий целесообразно проводить, основываясь на законах диффузии точечных дефектов. Цель работы. Рассчитать эффективный коэффициент диффузии, учитывающий зернограничную диффузию в ультрадисперсном электролитическом железе и на основании его найти режимы термической обработки, необходимые для стабилизации свойств покрытий. Методы исследования. Применялись: растровая и просвечивающая электронная микроскопия — для изучения зеренной структуры и межзеренных границ; термодинамические расчеты — для нахождения коэффициентов диффузии; программа Сот..о1 МыШрНуягся — для определения температуры и времени, необходимых для стабилизации свойств железа. Результаты и обсуждения. Получено выражение для определения коэффициента эффективной диффузии для электролитического ультрадисперсного железа, учитывающее влияние межзеренных границ. Термодинамические расчеты показали, что по сравнению с объемным эффективный коэффициент диффузии может быть на два порядка выше и во многом определяется размером зерна. Методом микроструктурного анализа установлены режимы получения ультрадисперсного покрытия с большой долей межзеренных границ и экспериментально подтверждено, что вклад зернограничной диффузии имеет смысл учитывать при размерах зерен менее 100 нм, которые соответствуют жестким режимам осаждения покрытий. Компьютерное моделирование показало, что температура отжига ультрадисперсных железных покрытий может быть снижена на 50 °С по сравнению с ранее известными данными.

Для цитирования: Венедиктов А.Н., Овсянников В.Е., Венедиктов Н.Л. Определение эффективного коэффициента диффузии вакансий в ультрадисперсном электролитическом железе и его влияние на режимы термической обработки // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). — 2019. — Т. 21, № 3. — С. 106-114. — 001:10.17212/1994-6309-2019-21.3-106-114.

История статьи: Поступила: 18 июня 2019 Рецензирование: 05 июля 2019 Принята к печати: 15 июля 2019 Доступно онлайн: 15 сентября 2019

Ключевые слова: Электролитическое железо Ультрадисперсные покрытия Диффузия

Электролитическое железнение широко применяется для повышения износостойкости и твердости поверхности, а также для восстановления изношенных деталей машин.

Вместе с тем известно, что свойства гальванических покрытий в ходе эксплуатации могут

*Адрес для переписки

Венедиктов Анатолий Николаевич, к.т.н., доцент Тюменский индустриальный университет, ул. Володарского, 38, 625000, г. Тюмень, Россия

Тел.: +7 (904) 490-29-20, e-mail: annattoliy@gmail.com

изменяться и оказывать влияние на работоспособность всего изделия.

В работах [1, 2] показано, что изменение свойств при старении электроосажденного железа обусловлено миграционными процессами вакансий [3], избыточная концентрация которых фиксируется после электроосаждения [4, 5].

В то же время старение даже в течение 3000 ч не приводит к стабилизации свойств [6]. Сокращение времени стабилизации свойств до приемлемого на практике достигается отжигом при температурах, обеспечивающих протекание диффузионных процессов [7]. Последние, в

свою очередь, существенным образом определяют эксплуатационные свойства покрытий.

В работе [8] выполнены термодинамические расчеты, позволяющие назначить режимы термообработки, но они сделаны с тем допущением, что покрытие после ее получения имеет однородную дислокационную структуру, а коэффициент диффузии не зависит от структурных особенностей и имеет одинаковое значение по всему объему. Тем не менее полученные режимы хорошо себя зарекомендовали применительно к однослойным покрытиям из чистых металлов с относительно крупным размером зерна.

Вместе с тем на практике часто используются двух- и многослойные электролитические покрытия, а также неоднородные покрытия, полученные на нестационарных режимах электролиза. Кроме того, стремясь получить покрытия с улучшенными механическими свойствами, осаждают ультрадисперсные покрытия, характеризуемые очень малым размером зерна.

Особое влияние в ультрадисперсных покрытиях имеет диффузия, сосредоточенная в узких зонах на границах зерен с различной кристаллографической ориентацией [10, 11, 12], диффузионный перенос по которым протекает значительно быстрее, чем в объеме кристалла [5, 13, 14].

Известно, что в электроосажденных металлах с высокодисперсной структурой проявляется размерный эффект, характеризующийся резким увеличением концентрации вакансий [9], активно участвующих в процессах диффузии в после-электролизный период.

Расчет режимов термообработки, напрямую связанных с диффузией, для ультрадисперсных покрытий целесообразно проводить численными методами с использованием компьютерных программ, основываясь на законах диффузии точечных дефектов.

В этом случае становится актуальным вопрос нахождения эффективного коэффициента диффузии вакансий, учитывающего зеренную структуру покрытия.

В настоящей работе сделана попытка найти эффективный коэффициент диффузии для ультрадисперсного железного покрытия, полученного электролитически, и показана его зависимость от режимов осаждения. На основании полученных значений предложены режимы отжига.

В качестве объекта исследования были выбраны электролитические покрытия железом как одни из наиболее распространенных в промышленности. Условия получения серий образцов, характеризуемых различными режимами осаждения, и методика испытаний были аналогичны описанным в работе [1]. Получали по четыре образца на каждом режиме. В качестве параметра комплексной оценки режимов электроосаждения принимали отношение Е/Еи где Е1ш — перенапряжение катода, соответствующее предельной плотности тока (ilim). Все режимы осаждения железа условно разделили на мягкие — при Е < 0,33Elim, жесткие - при Е>0,66Elm, средние — при Е = (0,33 — 0,66)Elm.

Размер зерна и микроструктуру изучали с помощью растрового электронного микроскопа JEOL 6008^, готовя шлифы вдоль и поперек направления роста покрытия.

Для выявления субзеренной и ячеистой структуры использовали просвечивающий электронный микроскоп JEM 2100 c применением метода прямого просвечивания тонких металлических фольг. С этой целью покрытие отделяли от подложки химическим стравливанием последней.

Эффективный коэффициент диффузии вакансий находили, основываясь на законах термодинамики и ряде экспериментальных данных.

Для расчета температурно-временных параметров стабилизирующего отжига на основе полученных данных использовали программу ComsolMultiphysics. Расчетная модель представляла собой однородный слой железа на поверхности подложки. Решение задачи выполняли в двухмерной постановке.

Все полученные данные подвергали статистической обработке с использованием программы Mathematica 12.

Результаты и их обсуждение

Определение размера зерна

Были получены микрофотографии структур электролитического железа, осажденного на разных режимах: на средних — при E/EUm = 0,65 (рис. 1, а) и жестких — при EIEiim = 0,75 (рис. 1, б). По полученным фотографиям проведены изме-

Рис. 1. Субзеренная (а) и ячеистая (б) структура электроосажденного железа Fig. 1. Subgrain (а) and cellular (б) structure of electrodeposited iron

рения размеров зерна, результаты которых показаны на рис. 2.

Условный переход субзеренной структуры в ячеистую на графике изображен пунктирной линией.

Как видно из графика, железо имеет субзе-ренную структуру при осаждении на мягких и средних режимах. При перенапряжениях катода в диапазоне (0,6.. .0,7)Ейт происходит изменение субзеренной структуры в ячеистую.

Пепенапряжение катода, Е/Е

Рис. 2. Зависимость размера зерна электроосажденного железа от режимов осаждения

Fig. 2. Dependence of the grain size of electrodeposited iron on the deposition conditions

Характерной особенностью ячеистой структуры является наличие областей с низкой плотностью дислокаций, размеры которых не превышают 1 мкм, разделенными широкими границами, состоящими из дислокационных сплетений.

Полученные данные говорят о том, что значительная часть промышленно получаемых покрытий имеет ультрадисперсную структуру, где велика доля межзеренных границ.

Определение эффективного коэффициента диффузии

Для вычисления коэффициента диффузии вдоль ядра зернограничной дислокации использовали формулу

где V — частота диффузионного скачка; А — длина диффузионного скачка.

Величина А зависит от конкретного механизма смещения атомов [15]. Коэффициент 1/2 говорит о линейном характере диффузии вдоль дислокации.

Частота диффузионных скачков связана с температурой соотношением

где Emg — энергия миграции вакансии; v0 примем

Известно, что энергия миграции вакансий по межзеренным границам для металлов с ОЦК-

решеткой примерно на 40. 50 % ниже, чем в объеме кристалла и зависит от угла разориенти-ровки [16]. Энергия миграции вакансий в объеме кристалла железа, по свидетельству различных источников, составляет около 1,28 эВ [15, 17, 18].

Коэффициент диффузии вакансий выражается через коэффициент диффузии дефектов (1) следующим образом:

где 0 — угол между направлениями предыдущего и последующего прыжков; г — число ближайших атомов, с которыми дефект может поменяться местами. Угловые скобки показывают среднее значение по всем возможным скачкам. Известные модели дают для вакансионного механизма 2, равное 4-5, для границ с различной разо-риентировкой [16], откуда значение / примем равным 6,5.

Равновесная концентрация дефектов в объеме кристалла находится по формуле

form — энергия образования дефекта.

чение для высоко- и малоугловых границ. По теоретическим оценкам [16] для вакансий оно может составлять от 7 до 60 %.

С учетом полученных выражений (1), (3) и (6) можем выразить коэффициент диффузии для вакансий вдоль межзеренной границы:

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

где С^ — равновесная концентрация вакансий в окрестности ядра зернограничной дислокации; / — коэффициент корреляции.

Фактор корреляции описывается формулой [19]

В зависимости от кинетического режима диффузии, геометрии зерен и межзеренных границ существуют различные модели для оценки эффективного коэффициента диффузии. Их обобщенная классификация приведена в работах [20, 21].

Для грубой оценки можно использовать выражение, предложенное в [22]:

Df = gDgh + (1 — g) D

где БШк — коэффициент диффузии вакансий в объеме кристалла; Бъ — коэффициент диффузии вакансий вдоль межзеренных границ. Объемная доля границ во всем кристалле g ~ 5 / Я, где Я — размер зерна, а 5 — толщина межзерен-ной границы.

Однако согласно [23] выражение (8) хорошо описывает диффузию в поликристаллах с пластинчатой формой зерен, размеры которых преобладают по двум координатным осям. При сферической форме кристаллов лучше подходит формула Максвелла-Гарнетта [21, 24]:

Наиболее точные оценки, проведенные с помощью молекулярно-динамических расчетов [17], определили энергию образования вакансии в железе Е = 1,72 эВ.

Учитывая, что диффузии подвержены исключительно атомы, находящиеся вблизи ядер дислокаций, выражение (5) примет вид

(3 — 2g)Dhulk + 2gD

Здесь — число атомов, участвующих в диффузии; N — общее число атомов на границе зерен.

Отношение Nd^ /N показывает концентрацию атомов на межзеренной границе, участвующих в диффузии. Отношение имеет различное зна-

Электролитические покрытия могут осаждаться как с пластинчатым, так и с округлым зерном, но для ультрадисперсных покрытий отличия пластинчатой формы от сферической становятся практически незаметны. Исходя из этих соображений дальнейшие вычисления проведены на основании формулы (9).

С применением формулы (9) была проведена оценка эффективного коэффициента диффузии вакансий в поликристаллическом материале (рис. 3). При расчетах было сделано допущение, что все границы имеют одинаковую структуру, а их толщина принималась равной 1 нм.

Границы области с наиболее часто встречающимися в литературе значениями объемной

Рис. 3. Зависимость эффективного коэффициента диффузии электролитического железа от размера зерна при температуре 0,5 Тпл

Fig. 3. Dependence of the effective diffusion coefficient of electrolytic iron on the size of the grain at a temperature of 0,5Tmelt

Начальная концентрация вакансий в покрытии принималась равной 5• 10-3. Согласно работам [18, 25] это соответствует жестким режимам электроосаждения (Е > 0,66Е1ш).

Температурно-временные режимы стабилизирующего отжига для трех температур приведены на рис. 4. В каждом случае добивались падения концентрации вакансий до значений, когда они перестают существенно влиять на изменения свойств покрытий [13, 26]. Там же отражены теоретические расчеты, полученные ранее (рис. 4, поз. 1), не учитывающие особенностей мелкокристаллического строения, а также данные, полученные в работе [27] (рис. 4, поз. 2).

Из графика видно, что полученные температуры отжига (рис. 4, поз. 3) в среднем на 50 °С ниже найденных ранее [8]. Это подтверждает значительное влияние межзеренных границ на процессы, происходящие при отжиге.

Что касается сравнения с данными из работы [27], то к ним следует относиться с осторожно-

диффузии для железа показаны на рисунке пунктирными линиями [14, 15, 18].

Из графика видно, что размер зерен существенно влияет на эффективный коэффициент диффузии в электролитическом железе, который становится на порядок больше объемного коэффициента при размере зерна около 100 нм, что часто встречается в ультрадисперсных покрытиях, осажденных на жестких режимах (рис. 2), и на два порядка выше при ячеистой структуре с размермами бездислакционных областей порядка 10 нм.

Вместе с тем эффективный коэффициент диффузии при размере зерна более 1 мкм по порядку величины равен объемному. Отсюда следует, что зернограничная диффузия не играет существенной роли при старении железа, осажденного на мягких режимах

Режимы стабилизирующего отжига

Пользуясь найденными значениями эффективного коэффициента диффузии, с помощью программы Сош&о1 Multiphysics были найдены временные параметры стабилизирующего отжига для железных покрытий толщиной 1 мм.

Рис 4. Режимы термической обработки электроосаж-

денного железа, имеющего ячеистую структуру: 1 — расчетные значения, не учитывающие межзеренного влияния; 2 — результаты исследования авторов [27]; 3 -режимы отжига, учитывающие межзеренное влияние

Fig. 4. Conditions of heat treatment of electrodeposited

iron having a cellular structure: 1 — calculated values that do not take into account the intergrain influence; 2 — the results of the study [27]; 3 — annealing conditions, taking into account the intergrain influence

стью, так как не представляется возможным точно установить структурные особенности покрытий, полученных авторами.

С практической точки зрения снижение температуры отжига покрытия не позволяет развиться более высокотемпературным процессам рекристаллизации, часто имеющим нежелательный характер [7].

1. Получено выражение для определения коэффициента эффективной диффузии для электролитического ультрадисперсного железа, учитывающее влияние межзеренных границ.

2. Установлено, что эффективный коэффициент диффузии по сравнению с объемным может быть на два порядка выше и во многом определяется размером зерна.

3. Показано, что вклад зернограничной диффузии имеет смысл учитывать при размерах зерен менее 100 нм, что соответствует жестким режимам осаждения железа.

4. Результаты работы показали, что температура отжига ультрадисперсных железных покрытий может быть снижена на 50 °С по сравнению с ранее известными данными.

1. Ковенский И.М., Венедиктов А.Н. Старение и стабилизация свойств гальванических покрытий // Омский научный вестник. Серия: Приборы, машины и технологии. — 2010. — № 3. — С. 43-45.

2. Bowen A.W., Leak G.M. Diffusion in BCC iron base alloys // Metallurgical and Materials Transactions. -1970. — Vol. 1 (10). — P. 2767-2773. — DOI: 10.1007/ BF03037813.

3. Study of defect evolution by TEM with in situ ion irradiation and coordinated modeling / M. Li, M.A. Kirk, P.M. Baldo, D. Xu, B.D. Wirth // Philosophical Magazine. — 2012. — Vol. 92. — P. 2048-2078. — DOI: 10.1080/ 14786435.2012.662601.

4. Полукаров Ю.М. Электродные процессы и методы их изучения. — Киев: Наукова думка, 1979. — 706 с.

5. Немиров-Данченко Л.Ю., Липницкий А.Г., Кулькова С.Е. Исследование вакансий и их комплексов в металлах с ГЦК-структурой // Физика твердого тела. — 2007. — Т. 49, № 6. — С. 1026-1032.

6. Katz J.D., Pickering H.W., Bitler W.R. Low-temperature recrystallization kinetic in nickel electrode-posits // Plating and Surface Finishing. — 1980. — Vol. 67, N 11. — P. 45-49.

7. Горелик С.С., Добаткин С.В., Капуткина Л.М. Рекристаллизация металлов и сплавов. — М.: МИ-СиС, 2005. — 432 с.

8. Технологические параметры стабилизирующей обработки гальванических покрытий / И.М. Ковенский, В.Н. Кусков, А.Н. Венедиктов, И.А. Венедиктова, А.Г. Обухов // Омский научный вестник. — 2012. Smith J.T. Diffusion mechanism for the nickel-activated sintering of molybdenum // Journal of Applied Physics. — 1965. — Vol. 36. — P. 595. -DOI: 10.1063/1.1714036. — № 2. — С. 72-74.

9. Ковенский И.М., Поветкин В.В. О природе внутренних напряжений в электролитических осадках // Журнал прикладной химии. — 1989. — Т. 62, № 5. -С.37-44.

10. Gao F., Heinisch H., Kurtz R.J. Diffusion of He interstitials in grain boundaries in a-Fe // Journal of Nuclear Materials. — 2006. — Vol. 351. — P. 133-140. -DOI: 10.1016/j.jnucmat.2006.02.015.

11. Smith J. T. Diffusion mechanism for the nickel-activated sintering of molybdenum // Journal of Applied Physics. — 1965. — Vol. 36. — P. 595. -DOI: 10.1063/1.1714036.

12. Shi X., Luo J. Developing grain boundary diagrams as a materials science tool: a case study of nickel-doped molybdenum // Physical review B. -2011. — Vol. 84. — P. 014105. — DOI: 10.1103/Phys-RevB.84.014105.

13. Кан Р. У., Хаазен П.Т. Физическое металловедение. В 3 т. Т. 1. Атомное строение металлов и сплавов. — Изд. 3-е, перераб. и доп. — М.: Металлургия. -1987 г. — 640 с.

14. ГлейтерГ., ЧалмерсБ. Большеугловые границы зерен. — М.: Мир, 1974. — 375 с.

15. Бокштейн Б.С., Ярославцев А.Б. Диффузия атомов и ионов в твердых телах. — М.: МИСиС, 2005. — 362 с. — ISBN 5-87623-131-2.

16. НовоселовИ.И. Куксин А.Ю., Янилкин А.В. Коэффициент диффузии вакансий и междоузлий вдоль межзеренных границ наклона в молибдене // Физика твердого тела. — 2014. — Т. 56, № 5. — С. 988-994.

17. Свистунов И.Н., Колокол А.С. Анализ межатомных потенциалов для моделирования вакансион-ной диффузии в концентрированных сплавах Fe-Cr // Компьютерные исследования и моделирование. -2018. — Т. 10, № 1. — С. 87-101. — DOI: 10.20537/20767633-2018-10-1-87-101.

18. Новиков И.И. Дефекты кристаллического строения металлов. — М.: Металлургия, 1975. — 208 с.

19. Готтштайн Г. Физико-химические основы материаловедения. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2009. — 400 с.

20. Kaur I., Mishin Y., Gust W. Fundamentals of grain and interphase boundary diffusion. — 3rd, rev. and enl. ed. — Chichester: Wiley, 1995. — 528 p. — ISBN 9780-471-93819-4. — DOI: 10.1016/0921-5093(96)80008-6.

21. Mehrer H. Diffusion in solids: fundamentals, methods, materials, diffusion-controlled processes. -Berlin: Springer, 2010. — 651 p. — ISBN 978-3-54071486-6.

22. HartE.W. On the role of dislocations in bulk diffusion // Acta Metallurgica. — 1957. — Vol. 5, iss. 10. -P. 597. — DOI: 10.1016/0001-6160(57)90127-X.

23. Belova I.V., Murch G.E. Analysis of the effective diffusivity in nanocrystalline materials // Journal of Metastable and Nanocrystalline Materials. — 2004. -Vol. 19. — P. 25-34. — DOI: 10.4028/www.scientific.net/ JMNM.19.25.

24. Maxwell-Garnett C. Colours in metal glasses and in metallic films II Philosophical Transactions of the Royal Society. Ser. A. — 1904. — Vol. 203. — P. 385-420. -DOI: 10.1098Irsta.1904.0024.

25. Wollenberger H.J. Point defects II Physical Metallurgy I ed. by R.W. Cahn, P. Haasen. — Amsterdam: Elsevier, 1996. — Vol. 1. — P. 1621-1721. — ISBN 9780-444-89875-3. — DOI: 10.1016IB978-044489875-3I50023-5.

26. Полукаров Ю.М. Образование дефектов кристаллической решетки в электроосажденных металлах II Итоги науки. Электрохимия. — М.,1968. -С.72-113.

27. Ковенский И.М., Поветкин В.В. Электролитические сплавы. — М.: Интермет Инжиниринг, 2003. -288 с. — ISBN 5-89594-089-7.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

© 2019 Авторы. Издательство Новосибирского государственного технического университета. Эта статья доступна по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная (https:IIcreativecommons.org/licensesIbyI4.0/)

Obrabotka metallov (tekhnologiya, oborudovanie, instrumenty) = Metal Working and Material Science. 2019 vol. 21 no. 3 pp. 106-114 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2019-21.3-106-114

Metal Working and Material Science

Journal homepage: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov

TEKHOHOrHfl OBOPVflOBOHME HHCTPVMEHTbl

Determination of the Effective Diffusion Coefficient of Vacancies in Ultradispersed Electrolytic Iron and its Effect on Heat Treatment Conditions

Anatolii Venediktov a , Viktor Ovsyannikov b, Nikolai Venediktov c

Tyumen Industrial University, 38 Volodarskogo, Tyumen, 625000, Russian Federation

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

» https://orcid.org/0000-0002-6899-4297. Ô annattoliyw!gmail.con C https://orcid.org/0000-0001-6175-7312. Ô venediktovanMtyuiu.r

Article history. Received: 18 June 2019 Revised. 05 July 2019 Accepted: 15 July 2019 Available online: 15 September 2019

Keywords: Electrolytic iron Ultra-dispersed coatings Diffusion

Intergrain diffusion Vacancies Dislocations Galvanic coatings

Introduction. Electrolytic iron plating is widely used to improve the wear resistance and hardness of surfaces, as well as restoring worn machine parts. However, the properties of electroplated coatings can change during operation, and even prolonged aging does not lead to stabilization of these properties. Reduction the stabilization time is achieved by heat treatment, the calculation of which regimes for ultra-dispersed coatings should be carried out based on the diffusion laws of point defects. Goal of the work is to calculate the effective diffusion coefficient, taking into account the grain boundary diffusion in the ultra-dispersed electrolytic iron and, on the basis of this coefficient, to find the conditions of heat treatment necessary to stabilize the properties of coatings. Methods of research. Scanning and transmission electron microscopy are used to study the grain structure and intergrain boundaries; thermodynamic calculations are applied in order to find diffusion coefficients; the Comsol Multiphysics program is selected to determine the temperature and time required to stabilize the properties of iron. Results and discussion. An expression for determining the effective diffusion coefficient for ultra-dispersed electrolytic iron, taking into account the influence of intergrain boundaries is obtained. Thermodynamic calculations have shown that, in comparison with the volume coefficient, the effective diffusion coefficient can be two orders of magnitude higher and is largely determined by the size of the grain. Using the method of microstructural analysis, the conditions for obtaining ultradispersed coatings with a large proportion of intergrain boundaries are determined and it is experimentally confirmed that it makes sense to take into account the contribution of grain boundary diffusion, when grain sizes are less than 100 nm, which corresponds to hard conditions of coating deposition. Computer simulation showed that as compared to previously known data, the annealing temperature of ultradispersed iron coatings can be reduced by 50 °C.

For citation: Venediktov A.N., Ovsyannikov V.E., Venediktov N.L. Determination of the effective diffusion coefficient of vacancies in ultradispersed electrolytic iron and its effect on heat treatment conditions. Obrabotka metallov (tekhnologiya, oborudovanie, instrumenty) = Metal Working and Material Science, 2019, vol. 21, no. 3, pp. 106-114. DOI: 10.17212/1994-6309-2019-21.3-106-114. (In Russian).

1. Kovenskii I.M., Venediktov A.N. Starenie i stabilizatsiya svoistv gal’vanicheskikh pokrytii [Aging and stabilization of the properties of electroplated coatings]. Omskii nauchnyi vestnik. Seriya: Pribory, mashiny i tekhnologii = Omsk Scientific Bulletin. Series: Equipment, Machines and Technologies, 2010, no. 3, pp. 43-45.

2. Bowen A.W., Leak G.M. Diffusion in BCC iron base alloys. Metallurgical and Materials Transactions, 1970, vol. 1 (10), pp. 2767-2773. DOI: 10.1007/BF03037813.

3. Li M., Kirk M.A., Baldo P.M., Xu D., Wirth B.D. Study of defect evolution by TEM with in situ ion irradiation and coordinated modeling. Philosophical Magazine, 2012, vol. 92, pp. 2048-2078. DOI: 10.1080/14786435.2012.662601.

4. Polukarov Yu.M. Elektrodnye protsessy i metody ikh izucheniya [Electrode processes and methods for their study]. Kiev, Naukova dumka Publ., 1979. 706 p.

5. Nemirov-Danchenko L.Yu., Lipnitskii A.G., Kul’kova S.E. Issledovanie vakansii i ikh kompleksov v metallakh s GTsK-strukturoi [Vacancies and their complexes in FCC metals]. Fizika tverdogo tela = Physics of the Solid State, 2007, vol. 49, no. 6, pp. 1026-1032. (In Russian).

Venediktov Anatolii N., Ph.D. (Engineering), Associate Professor Tyumen Industrial University 38 Volodarskogo str., 625000, Tyumen, Russian Federation Tel.: +7 (904) 490-29-20, e-mail: annattoliy@gmail.com

6. Katz J.D., Pickering H.W., Bitler W.R. Low-temperature recrystallization kinetic in nickel electrode-posits. Plating and Surface Finishing, 1980, vol. 67, no. 11, pp. 45-49.

7. Gorelik S.S., Dobatkin S.V., Kaputkina L.M. Rekristallizatsiya metallov i splavov [Recrystallization of metals and alloys]. Moscow, MISiS Publ., 2005. 432 p.

8. Kovenskii I.M., Kuskov V.N., Venediktov A.N., Venediktova I.A., Obukhov A.G. Tekhnologicheskie parametry stabiliziruyushchei obrabotki gal’vanicheskikh pokrytii [Technological parameters of stabilizing treatment of electroplated coatings]. Omskii nauchnyi vestnik = Omsk Scientific Bulletin, 2012, no. 2, pp. 72-74.

9. Kovenskii I.M., Povetkin V.V. O prirode vnutrennikh napryazhenii v elektroliticheskikh osadkakh [On the nature of internal stresses in electrodeposited coatings]. Zhurnalprikladnoi khimii = Journal of Applied Chemistry, 1989, vol. 62, no. 5, pp. 37-44. (In Russian).

10. Gao F., Heinisch H., Kurtz R.J. Diffusion of He interstitials in grain boundaries in a-Fe. Journal of Nuclear Materials, 2006, vol. 351, pp. 133-140. DOI: 10.1016/j.jnucmat.2006.02.015.

11. Smith J.T. Diffusion mechanism for the nickel-activated sintering of molybdenum. Journal of Applied Physics, 1965, vol. 36, pp. 595-560. DOI: 10.1063/1.1714036.

12. Shi X., Luo J. Developing grain boundary diagrams as a materials science tool: a case study of nickel-doped molybdenum. Physical review B, 2011, vol. 84, p. 014105. DOI: 10.1103/PhysRevB.84.014105.

13. Cahn R.W., Haasen P. Physical metallurgy. Pt. 1. 3rd ed. North-Holland Physics Publ., 1983. 816 p. (Russ. ed.: Kan R.U., Khaazen P.T. Fizicheskoe metallovedenie. V 3 t. T. 1. Atomnoe stroenie metallov i splavov. 3rd ed. Moscow, Metallurgiya Publ., 1987. 640 p.).

14. Gleiter H., Chalmers B. High-angle grain boundaries. New York, Pergamon Press, 1972. 274 p. (Russ. ed.: Gleiter G., Chalmers B. Bol’sheuglovye granitsy zeren. Moscow, Mir Publ., 1974. 375 p.).

15. Bokshtein B.S., Yaroslavtsev A.B. Diffuziya atomov i ionov v tverdykh telakh [Diffusion of atoms and ions in solids]. Moscow, MISiS Publ., 2005. 362 p. ISBN 5-87623-131-2.

16. Novoselov I.I. Kuksin A.Yu., Yanilkin A.V. Koeffitsient diffuzii vakansii i mezhdouzlii vdol’ mezhzerennykh granits naklona v molibdene [The diffusion coefficient of vacancies and interstices along the intergrain tilt boundaries in molybdenum]. Fizika tverdogo tela = Physics of the Solid State, 2014, vol. 56, no. 5, pp. 988-994. (In Russian).

17. Svistunov I.N., Kolokol A.S. Analiz mezhatomnykh potentsialov dlya modelirovaniya vakansionnoi diffuzii v kon-tsentrirovannykh splavakh Fe-Cr [Analysis of interatomic potentials for modeling vacancy diffusion in concentrated Fe-Cr alloys]. Komp’yuternye issledovaniya i modelirovanie = Computer Research and Modeling, 2018, vol. 10, no. 1, pp. 87-101. DOI: 10.20537/2076-7633-2018-10-1-87-101.

18. Novikov I.I. Defekty kristallicheskogo stroeniya metallov [Defects in the crystalline structure of metals]. Moscow, Metallurgiya Publ., 1975. 208 p.

19. Gottstein G. Physical foundations of materials science. Berlin, Springer, 2004. 502 p. (Russ. ed.: Gottshtain G. Fiziko-khimicheskie osnovy materialovedeniya. Moscow, BINOM Publ., 2009. 400 p.).

20. Kaur I., Mishin Y., Gust W. Fundamentals of grain and interphase boundary diffusion. 3rd, rev. and enl. ed. Chichester, Wiley, 1995. 528 p. ISBN 978-0-471-93819-4. DOI: 10.1016/0921-5093(96)80008-6.

21. Mehrer H. Diffusion in solids: fundamentals, methods, materials, diffusion-controlled processes. Berlin, Springer, 2010. 651 p. ISBN 978-3-540-71486-6.

22. Hart E.W. On the role of dislocations in bulk diffusion. Acta Metallurgica, 1957, vol. 5, iss. 10, p. 597. DOI: 10.1016/0001-6160(57)90127-X.

23. Belova I.V., Murch G.E. Analysis of the effective diffusivity in nano-crystalline materials. Journal of Meta-stable andNanocrystallineMaterials, 2004, vol. 19, pp. 25-34. DOI: 10.4028/www.scientific.net/JMNM.19.25.

24. Maxwell-Garnett C. Colours in metal glasses and in metallic films. Philosophical Transactions of the Royal Society. Ser. A, 1904, vol. 203, pp. 385-420. DOI: 10.1098/rsta.1904.0024.

25. Wollenberger H.J. Point defects. Physical Metallurgy. Ed. by R.W. Cahn, P. Haasen. Amsterdam, Elsevier, 1996, vol. 1, pp. 1621-1721. ISBN 978-0-444-89875-1.

26. Polukarov Yu.M. Obrazovanie defektov kristallicheskoi reshetki v elektroosazhdennykh metallakh [Formation of crystal lattice defects in electrodeposited metals]. Itogi nauki. Elektrokhimiya [Results of science. Electrochemistry]. Moscow, 1968, pp. 72-113.

27. Kovenskii I.M., Povetkin V.V. Elektroliticheskie splavy [Electrolytic alloys]. Moscow, Intermet Inzhiniring Publ., 2003. 288 p. ISBN 5-89594-089-7.

Conflicts of Interest

The authors declare no conflict of interest.

Как вакансии влияют на скорость диффузии

Процесс диффузии

Влияние структурных дефектов на кинетику диффузионных процессов Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Саркаров Таджидин Экберович

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Саркаров Таджидин Экберович

THE INFLUENCE OF STRUCTURAL DEFECTS ON THE KINETICS OF DIFFUSION PROCESSES

Текст научной работы на тему «Влияние структурных дефектов на кинетику диффузионных процессов»

Скорость диффузии: основные принципы и факторы влияния

Введение

Определение скорости диффузии

Факторы, влияющие на скорость диффузии

Разность концентраций

Температура

Размер и форма частиц

Свойства среды

Закон Фика и его формулировка

Первый закон Фика

Второй закон Фика

Связь скорости диффузии с концентрацией и температурой

Концентрация

Температура

Примеры диффузии в повседневной жизни

Аромат распространяется в комнате

Распространение запаха еды

Распространение краски в воде

Распространение дыма

Распространение антиперспиранта на коже

Практическое применение скорости диффузии

Процессы очистки воздуха

Процессы абсорбции и десорбции

Процессы диффузионного покрытия

Процессы диффузии в живых организмах

Таблица сравнения скорости диффузии

Заключение

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Венедиктов Анатолий Николаевич, Овсянников Виктор Евгеньевич, Венедиктов Николай Леонидович

Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Венедиктов Анатолий Николаевич, Овсянников Виктор Евгеньевич, Венедиктов Николай Леонидович

DETERMINATION OF THE EFFECTIVE DIFFUSION COEFFICIENT OF VACANCIES IN ULTRADISPERSED ELECTROLYTIC IRON AND ITS EFFECT ON HEAT TREATMENT CONDITIONS

Добавить комментарий Отменить ответ