موضوع مقاله: نفوذ در جامدات | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # نفوذ در جامدات | مقدمه: نفوذ به معنی جابجایی جرم در اثر انتقال اتم هاست یا به قولی دیگر عبارت است از پدیده جابجایی ماده در انتقال اتمی. | ## بخش 1: نفوذ در جامدات | در ابعاد اتمی، نفوذ تشبیهی به مهاجرت و جابجایی اتمها از مکانی در شبکه بلور به مکانی دیگر است. مانند برخی از مسائل فیزیکی مانند تبخیر سطحی یا جنبش مولکولی، کسری از اتم‌ها قادر به نفوذ می‌باشند که البته با افزایش دما که منجر به افزایش انرژی جنبشی می‌شود و افزایش فشار این کسر بزرگتر می‌شود. به عنوان مثال اگر دو قطعه مسی و نیکلی (نیکل و مس کاملاً در یکدیگر قابلیت انحلال دارند و حدی برای قابلیت انحلال قائل نیستیم) کاملاً در تماس با یکدیگر قرار گیرند، در لحظهٔ اول تا قبل از فصل مشترک غلطت غلظت مس ۱۰۰٪ و غلظت نیکل ۰٪ است. اگر زمان به اندازه کافی به این دو قطعه بدهیم و مدت کافی حرارت داده و سپس خنک کنبم، بعد از مدت خاصی در فصل مشترک، نفوذ اتفاق می‌افتد. مکانیزم‌های نفوذ مکانیزم جای خالی(Vacancy) در این مکانیزم یک اتم قصد دارد از فاصلهٔ تعادلی خود خارج شده و در جای دیگری بنشیند؛ بنابراین باید از یک سد انرژی عبور کند. زیرا در حین جابجایی اتم اندازهٔ آن اتم از دیگر اتم‌ها تغییر می‌کند و دیگر آن اندازهٔ تعادلی سابق نیست. نرخ این جانشینی‌ها به تعداد جای خالی‌ها و انرژی مورد نیاز برای جابجایی وابسته است که تعداد این جای خالی‌ها به دما بستگی دارد. میانگین انرژی ارتعاشی هر اتم نزدیک به 3kT است که متناسب با دمای مطلق افزایش می‌یابد. از آنجا که فرکانس متوسط ارتعاش تقریباً مقداری ثابت است، انرژی ارتعاشی با افزایش دامنه، افزایش می‌یابد. حرمت یک ام جانشین را معمولاً اتم‌های همسایه آن محدود می‌کند و اتم نمی‌تواند به موقعیت‌های دیگری حرکت کند. به هر حال اگر یکی از موقعیت‌های اتمی مجاور خالی باشد، امکان پرش بر اثر یک نوسان بسیار شدید به محل خالی وجود دارد. مکانیزم بین نشینی(Interstitial) این نوع مکانیزم بیشتر در حالتی رخ می‌دهد که یکی از عناصر اتم‌های کوچکتری نسبت به دیگر عنصر داشته باشد؛ بنابراین لازم نیست که اتمی که می‌خواهد نفوذ کند، تک تک جای خالی‌ها را بپیماید تا به نقطه‌ای دیگر در بلور برسد، بلکه با حرکت از بین اتم‌های بزرگتر در بلور جابجا می‌شود. زیرا در پیرامون هر محل یا موقعیت، شش اتم وجود دارد که یک ۸ وجهی را به وجود می‌آورد. در شبکه BCC اتم‌های بین نشینی در فضاهای ۸ وجهی قرار می‌گیرند که محل آن‌ها در وسط لبه‌ها یا وسط وجوه مکعب است. اعوجاج ایجاد شده در این مکانیزم بسیار اندک است به همین دلیل نسبتاً به آسانی اتفاق می‌افتد. | ## بخش 2: نفوذ در جامدات | این آرایش شبیه یک نابجایی لبه است که می‌تواند در راستای یک خط پخش شود یا حرکت کند. دیگر مکانیزم‌ها مهاجرت اتم‌ها می‌تواند در طول نابجایی‌ها، مرزهای دانه و سطوح خارجی نیز اتفاق افتد. خم چنین روش دیگری نیز به نام مسیرهای نفوذ گردشی کوتاه وجود دارد که سرعت رخ دادن آن‌ها از نفوذهای توده‌ای بسیار بیشتر است. اگر چه اکثر اوقات نفوذ گردشی کوتاه در جریان کلی نفوذ ناچیز هستند زیرا مقاطع عرضی این مسیرها بسی کوچک‌اند. در شکل روبرو یک چرخ دنده را نشان می‌دهد که برش مقطعی خورده است و همان‌طور که مشاهده می‌شود، سطح خارجی و نزدیک آن سخت کاری شده‌است. بدین صورت که با قرار دادن شمشیر گداخته در زغال و حرارت دادن آنها، کربن را در شمشیر نفوذ می‌دادند. کربن نفوذ داده شده باعث افزایش سختی می‌شود و قطعه ترد می‌شود و شکل پذیری آن پایین می‌آید. برای انجام این فرایند، یک محیط شیمیایی آماده می‌شود تا کربن تا درصد خاصی، در آهن نفوذ کند. چیپ‌های الکترونیکی برای ساخت چیپ‌های الکترونیکی، ترانزیستورهای n و p را کنار یکدیگر قرار می‌دهند؛ و ترانزیستورهای n و p با نفوذ دادن یک اتمی که نسبت به اتم پایه، یک الکترون کمتر یا بیشتر دارد، تولید می‌شود. برای مثال برای تولید ترانزیستور n، اتم فسفر را روی سطح سیلیکون می‌نشانند و با اعمال حرارت و دمای کافی، اتم فسفر به لایه‌های سیلیکون نفوذ می‌کند. یکی از تکنولوژی‌هایی که از نفوذ در جامدات استفاده می‌کند، ساخت نیمه رساناها در IC هاست. علاوه بر این میلیون‌ها قطعه الکترونیکی به هم پبوسته و مدار در یک سطح آی سی جاسازی شده‌اند. مادهٔ پایه برای ساخت نیمه رساناها سیلیکون تک کریستال است که البته برای فراهم کردن عملکرد مورد نظر غلطت‌های ناخالصی بسیار دقیقی تهیه و اعمال می‌شوند. TSVs ICهای جدید به جای اینکه یک طبقه ساخته شوند، چند طبقه و چند لایه ساخته می‌شوند و این لایه‌ها با پل‌هایی از جنس مس به هم متصل شده‌اند. وقتی این آی سی‌ها در حال استفاده هستند، وقتی دمای آن‌ها بالا می‌رود، مس در لایه‌های سیلیکونی نفوذ می‌کند و باعث می‌شود که ساختار هر لایه به هم بریزد و آن مدار از بین می‌رود. | ## بخش 3: نفوذ در جامدات | برای جلوگیری از این نفوذ ناخواسته، یک پوششی نازک روی مس می‌نشانند که نقش مانع و سد را دارد و ضریب نفوذ این سد فوق‌العاده پایین است و اجازه نمی‌دهد که مس به لایه‌های سیلیکونی نفوذ کند. سطح دو ماده کاملاً تمیز و آینه‌ای شده‌است و رو بروی هم قرار داده شده‌است و در هم نفوذ پیدا کرده‌اند و در واقع جوش خورده‌اند. جهت فعال کردن مکانیزم‌های نفوذ باید دما بالاتر از حد معینی باشد تا بر موانع انرژی غلبه شود. قوانین فیک قانون اول فیک نفوذ یک فرایند وابسته به زمان است که در ابعاد ماکروسکوپی، مقدار مادهٔ جابجا شده در دیگر ماده است. این نرخ غالباً به عنوان شار شناخته می‌شود که عبارت است از مقدار جرمی (یا مول) که نفوذ می‌کند بر واحد سطح در زمان. برای این منظور یک غشا می‌سازیم و در یک سمت یک غلظت و در سمت دیگر، غلظتی دیگر قرار می‌دهیم و در واحد سطح، جرمی که عبور کرده‌است را بر واحد زمان اندازه می‌گیریم و شیب آن همان شاری است که اتم‌ها عبور کرده‌اند و نفوذ کرده‌اند. قانون اول فیک بیان ریاضی این پدیده است که بیان می‌کند شار وابسته است به شیب غلظت. علامت منفی به این معنی است که نفوذ از سمت با غلظت بیشتر به سمت با غلظت کمتر است. این بدان معنی خواهد بود که اگر دو غلظت متفاوت در کنار یکدیگر اگر یک دقیقه یا یک سال باشند، شار یکسان خواهد بود که در اکثر موارد صحیح نیست. یکی از محلول‌های تقریباً مهم یک جامد نیمه نامتناهی است که غلظت سطح در آن ثابت نگه داشته شده‌است. به عنوان مثال یک میله داریم که تعدادی اتم قبلاً در آن نفوذ داده شده‌اند و به‌طور همگن نیز پخش شده‌اند. یعنی در لحظهٔ t=۰ غلظت اولیهٔ در تمام میله وجود دارد و غلظت خارجی رو ی سطح نیز می‌باشد. با گذر زمان در نقطهٔ x=۰، غلظت برابر با خواهد بود ولی در دیگر نقاط تغییر خواهد کرد. به عنوان مثال تفاوت زیادی میان ضریب نفوذ نفوذ خود در خود آهن و بین نشینی کربن در آهن وجود دارد. این تفاوت هم چنین اختلاف بین نرخ نفوذ با مکانیزم‌های بین نشینی و جای خالی را ایجاد می‌کند، همان‌طور که قبلاً توضیح داده شده بود. | ## جمع‌بندی | قابل ذکر است که نفوذ خود در خود از مکانیزم جای خالی و نفوذ کربن درآهن از مکانیزم بین نشینی استفاده می‌کند.