نفوذ اتمی

در جامدات، دو نوع نفوذ داریم که یکی خود نفوذی و دیگری، نفوذ بینابینی است.

در خود نفوذی، اتم‌های یک عنصر در شبکهٔ آن عنصر جابه‌جا می‌شوند.

در نفوذ بینابینی، اتم‌های یک عنصر در داخل اتم‌های عنصری دیگر از یک شبکه قرار می‌گیرد. در واقع در نفوذ بینابینی، اتم‌های یک عنصر نسبت به عنصری دیگر جابه‌جا می‌شوند.

در جامد کریستالی، نفوذ در داخل شبکه کریستالی توسط مکانیزم‌های بینابینی یا جانشینی رخ می‌دهد و به آن نفوذ شبکه می‌گویند. 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.

به عاملی که از نفوذ اتم ممانعت می‌کند، سد انرژی می‌گویند.

سد انرژی در مکانیزم بینابینی از مکانیزم تهی جایی، کم‌تر است بنابراین سرعت نفوذ در آن از مکانیزم تهی جایی بیش تر است.

کاربردهای نفوذ اتمی:

1. 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.
2. 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.

روابط:

نفوذ فرایند وابسته به زمان است.

سرعت نفوذ (شار) را به شکل زیر بررسی می‌کنیم:

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. در ۳ بعدی می‌توان نشان داد که بعد از ${\displaystyle n}$

$${\displaystyle r=\alpha {\sqrt {n}}}$$

با کمک قانون اول فیک، شار را می‌توان برحسب غلظت و فاصله نیز به دست آورد:

قانون دوم فیک که برخلاف قانون اول، شرط زمان را لحاظ می‌کند، به شکل زیر است:

مقدار فاصله ای که اتم می‌پیماید با مجذور حاصل ضرب فرکانس جهش در زمان، تناسب دارد. در رابطهٔ زیر، T فرکانس جهش و t زمان است.

فرکانس جهش به معنای تعداد جهش در واحد زمان می‌باشد و واحد آن، جهش بر ثانیه است.

$${\displaystyle r\sim {\sqrt {Tt}}}$$

ضریب نفوذ را می‌توان برای مواد مختلف از رابطهٔ زیر محاسبه کرد:

R برابر با ۸٫۳۱۴ ژول بر مول در کلوین است.

به تفاوت انرژی آزاد بین وضعیت نرمال و فعال، انرژی اکتیواسیون می‌گویند.

عوامل مؤثر در نفوذ:

نفوذ در مواد پلی کریستالی می‌تواند مکانیسم‌های نفوذ اتصال کوتاه را شامل شود. 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. به‌طور مثال، ضریب نفوذ کربن در آهن از آهن در آهن بیش تر است.

هرچه ساختار، تراکم کم تری داشته باشد، فاصله‌ها بیش تر و فضای باز بیش تر است؛ بنابراین ضریب نفوذ بیش تر است.

هرچه دما افزایش یابد، ضریب نفوذ نیز افزایش خواهد یافت و بالعکس.

• اثر کرکندال
• قوانین نفوذ فیک

نفوذ کلاسیک و نانو مقیاس با شکل و انیمیشن