موضوع مقاله: نفوذ اتمی | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # نفوذ اتمی | مقدمه: به‌طور کلی نفوذ به دو دستهٔ نفوذ در سیال (مایعات و گازها) و نفوذ در جامدات تقسیم می‌شود. | ## بخش 1: نفوذ اتمی | به عنوان مثال، اتم‌های هلیم درون یک بالون می‌توانند از دیواره بالون پخش شده و خارج شوند و در نتیجه بادکنک به آرامی تخلیه شود. سایر مولکول‌های هوا (مانند اکسیژن و نیتروژن) جنب و جوش کم تری دارند در نتیجه، آهسته‌تر در دیواره بالون پخش می‌شوند. در دیواره بالون یک گرادیان غلظت وجود دارد، زیرا بالون در ابتدا با هلیم پر شده بود، بنابراین مقدار زیادی هلیم در داخل بالون وجود دارد، اما هلیم نسبتاً کمی در خارج بالون وجود دارد (هلیم جزء اصلی هوا نیست). ترکیب آلومینیوم و نیکل، مثال خوبی برای نفوذ در جامدات می‌باشد؛ چرا که روی سطح آن، حلقه‌های مختلفی تشکیل می‌شود و این حلقه‌ها بزرگ‌تر می‌شوند. دلیل این رویداد این است که اتم‌ها به سطح می‌آیند و در جای سابق آن‌ها، حفره شکل می‌گیرد.S.M. در نفوذ بینابینی، اتم‌های یک عنصر در داخل اتم‌های عنصری دیگر از یک شبکه قرار می‌گیرد. در نفوذ شبکه بینابینی، یک پخش کننده (مانند C در آلیاژ آهن)، در بین ساختار شبکه یک عنصر کریستالی دیگر پخش می‌شود. در نفوذ شبکه جانشینی (به عنوان مثال، خود نفوذی)، اتم تنها می‌تواند با جایگزینی مکان با اتم دیگری حرکت کند. نفوذ شبکه جانشینی اغلب مشروط به در دسترس بودن نقاط خالی در سراسر شبکه کریستالی است. ذرات پراکنده با پرش سریع و اساساً تصادفی به اطراف (انتشار پرش) از جای خالی به نقطه خالی مهاجرت می‌کنند. سد انرژی در مکانیزم بینابینی از مکانیزم تهی جایی، کم‌تر است بنابراین سرعت نفوذ در آن از مکانیزم تهی جایی بیش تر است. سخت سازی آهن با استفاده از نفوذ کربن در آن و افزایش درصد کربن در آهن: سخت سازی فولاد به‌طور مستقیم و با افزایش درصد کربن در آلیاژ آن، هم کار دشواری است و هم موجب ترد شدن فولاد می‌شود؛ بنابراین با استفاده از نفوذ کربن می‌توانیم آهن را به‌طور بهینه ای سخت کنیم. مثبت و منفی کردن نیمه رسانا با استفاده از نفوذ اتم: از آن جا که نیمه رساناها از جنس سیلیکن (سیلیسیم) هستند، می‌توان با نفوذ فسفر یا آلومینیوم در سیلیسیم، برخی از قسمت‌های نیمه رسانا را منفی یا مثبت کرد. سرعت نفوذ (شار) را به شکل زیر بررسی می‌کنیم: در فرمول فوق، M جرم یا مقدار مول ماده نفوذکننده، A سطح نفوذ و t زمان نفوذ است. یک اتم جهش‌های متعددی را به عمل می‌آورد که ممکن است منجر به قرار گرفتن در یک حفره شود. برای یک اتم در یک کریستال بدون نقص، حرکت را می‌توان با مدل "راه رفتن تصادفی" توصیف کرد. | ## بخش 2: نفوذ اتمی | در ۳ بعدی می‌توان نشان داد که بعد از n جهش با طول α، اتم به‌طور میانگین، r را می‌پیماید: با کمک قانون اول فیک، شار را می‌توان برحسب غلظت و فاصله نیز به دست آورد: در رابطه فوق، ِ D ضریب نفوذ، C غلظت و X فاصله و موقعیت مکانی می‌باشد. قانون دوم فیک که برخلاف قانون اول، شرط زمان را لحاظ می‌کند، به شکل زیر است: در رابطه فوق مانند رابطهٔ قبلی، D ضریب نفوذ، C غلظت و X فاصله و موقعیت مکانی می‌باشد. مقدار فاصله ای که اتم می‌پیماید با مجذور حاصل ضرب فرکانس جهش در زمان، تناسب دارد. ضریب نفوذ را می‌توان برای مواد مختلف از رابطهٔ زیر محاسبه کرد: در رابطهٔ فوق، D0 ثابت اکسپوننشیال، Qd انرژی اکتیواسیون، R ثابت گازها و T دمای مطلق می‌باشد. برای مثال، در امتداد مرزدانه‌ها و برخی عیوب کریستالی مانند نابجایی که در اثر تغییر شکل کریستال یا در هنگام انجماد یا عملیات حرارتی به وجود می‌آید، فضای باز بیشتری وجود دارد؛ در نتیجه انرژی اکتیواسیون کمتری برای نفوذ فراهم می‌شود؛ بنابراین، نفوذ اتمی در مواد پلی کریستالی اغلب با استفاده از یک ضریب نفوذ مؤثر، که ترکیبی از شبکه و ضرایب نفوذ مرز دانه است، مدل‌سازی می‌شود. به‌طور کلی، نفوذ سطحی بسیار سریع تر از نفوذ مرز دانه و نفوذ مرز دانه بسیار سریع تر از نفوذ شبکه رخ می‌دهد. در زمان یکسان، بین نشینی، ضریب نفوذ بیش تری دارد چرا که اتم در حفرات حرکت می‌کند و نیاز به جابجایی حفره نیست. هرچه ساختار، تراکم کم تری داشته باشد، فاصله‌ها بیش تر و فضای باز بیش تر است؛ بنابراین ضریب نفوذ بیش تر است. مواد نیمه‌رسانا به‌علت ویژگی‌های منحصر به‌فردی که دارند، در صنعت الکترونیک نقش مهمی را ایفا می‌کنند.یکی از این ویژگی‌ها، قابلیت نفوذپذیری آنها می‌باشد. با نفوذ‌دادن مواد مختلف، به روش‌های مختلف، می‌توان در خواص و رفتار این‌گونه مواد تغییر ایجاد کرد، و با توجه به نیاز، از این مواد تغییر‌یافته استفاده کرد. نفوذ می‌تواند به‌عنوان یک دروازه عمل کند و جریان الکتریکی و ولتاژ را تنظیم کند.هم‌چنین نفوذ در مواد نیمه‌رسانا در ساخت دیود‌ها نیز، یک فرآیند کلیدی به‌حساب می‌آید. این دیود‌های همانند دیود‌های معمولی، دارای دو قطب آند و کاتد هستند و جریان الکتریکی را فقط در یک جهت از خود عبور می دهند. اتم‌ها به اطراف خود حرکت می‌کنند، و در صورت ایجاد حفره، به داخل آن نفوذ می‌کنند. پس از به‌هم ریختن تعادل حرارتی، و به‌وجود آمدن ناهمگنی‌ها، خواص مکانیکی و الکتریکی نیمه رسانا ها تغییر می‌کنند. نفوذ جرمی در این نوع از نفوذ، اتم‌های سلول‌های مجاور، به علت فشار ناشی از برهم‌کنش بین اتم‌ها، و یا اعمال یک فشار خارجی، به داخل حفره‌ها رانده می‌شوند، و در ماده نفوذ پیدا می‌کنند. به‌طوری که با حرکت تصادفی اتم‌ها، برخورد آن‌ها با یکدیگر، افزایش یا کاهش غلظت مناطقی خاص، و در نهایت نفوذ اتم ها در همدیگر، ساختار و در نهایت ویژگی‌های ماده اعم از خواص مکانیکی عوض می‌شوند. | ## بخش 3: نفوذ اتمی | نکته‌ی قابل توجه این است که هرچه دمای این فرآیند‌ها و زمان آن‌ها بیشتر باشد، ممکن است به افزایش نفوذ منجر شود. شایان ذکر است که در تمام این فرآیند، میزان نفوذ، جرم ماده ی نفوذ داده شده، زمان نفوذ و سایر شرایط، به طور کاملا دقیقی کنترل‌می‌شود، و این فرایند، بسیار حساس و دقیق است. در این روش، طول موج‌هایی کنترل شده به اتم تابش می‌شود، و باعث انتقال الکترون ها به لایه‌های بالاتر می‌شوند.گاهی نیز جذب فوتون‌ها توسط مواد نیمه رسانا، باعث ایجاد تغییرات خواص الکترونیکی آن‌ها می‌شود، و در شرایط کنترل شده، آن‌ها را بهبود می‌دهند. نفوذ یونی این نوع از نفوذ، به وسیله ی حرکت جریان یون‌ها درون نیمه رسانا انجام می‌شود.به طوری که از قسمت با غلظت بیشتر، به قسمت با غلظت کمتر می‌روند. تعداد کمی از دوپانت‌ها هستند که می توانند هدایت الکتریکی نیمه رسانا‌ها را تغییر دهند. دو نوع دوپینگ انجام می شود: -دوپینگ سبک: زمانی که به‌ازای حدود هر ۱۰۰ میلیون اتم ماده ی اصلی، یک اتم دوپانت اضافه‌شود، دوپینگ سبک نامیده می‌شود. -دوپینگ سنگین: زمانی که به‌ازای حدود هر ۱۰هزار اتم ماده ی اصلی، یک اتم دوپانت اضافه‌شود، دوپینگت سنگین نامیده می‌شود. افزودن دوپانت‌ها باعث افزایش هدایت الکتریکی سیلیکون می‌شود، و هم‌چنین باند‌های انرژی آن‌را تغییر می‌دهد. در این روش، سیلیکون را به همراه دوپانت‌ها در شرایط دمایی و فشاری مشخص قرار می‌دهند، تا به داخل آن نفوذ کنند. در بعضی موارد، لایه‌های محافظتی همانند اکسید سیلیسیم اضافه می شود، تا از اکسید‌شدن ماده جلوگیری کند، و همچنین اجازه‌ی پخش کامل دوپانت‌ها را به درون سیلیکون ندهد. ۲-آماده سازی دوپانت: در ابتدا دوپانت مناسب با توجه به کاربرد موردنظر باید انتخاب شود.در بسیاری از موارد عناصری همانند فسفر، بور، آنتیموان، گالیم و ایندیم استفاده می شود. نکته‌ی قابل توجه این است که دوپانت‌ها هم باید کاملا تمیز بشوند و عاری از هرگونه ناخالصی باشند. در غیر این‌صورت، ممکن است واکنش‌های ناخواسته‌ای همانند اکسید‌شدن، تقطیر، گسیل و… نیز در این بین صورت بگیرد، که مطلوب نباشد، و روند را تحت تاثیر قرار بدهد. به‌طور مثال، در فرآیند نفوذ بور در سیلیکون، دما در محدوده‌ی صد‌ها درجه‌ی سانتی‌گراد متغیر است. بعنوان مثالی دیگر، نفوذ فسفر در سیلیکون، نیازمند دمایی در حدود ۸۰۰-۱۲۰۰ درجه‌ی سانتی‌گراد است، و زمان این واکنش گاهی طولانی تر از زمان واکنش بور در سیلیکون می‌شود. | ## جمع‌بندی | ۴- پس‌‌پردازش: پس از انجام نفوذ، باید تمام لایه‌های نفوذی، خواص الکتریکی و گرمایی آن‌ها کنترل‌شود.