На рисунке 7.1 приведена схема возможных механизмов диффузии атомов в кристаллах

Рис. 7.1 Схема возможных механизмов диффузии атомов в кристаллах

Как видно из рисунка 7.1, механизмами перемещения атомов по кристаллу могут быть: прямой обмен атомов местами – а; кольцевой обмен – б; перемещение по междоузлиям – в; эстафетная диффузия – г; перемещение по вакансиям – д; диссоциативное перемещение – е; миграция по протяженным дефектам (дислокациям, дефектам упаковки, границам зерен).

Прямой обмен атомов местами заключается в том, что два соседних атома одним прыжком обмениваются местами в решетке кристалла.

Межузельный механизм диффузии заключается в переносе вещества межузельными атомами. Диффузия по такому механизму происходит интенсивно. Если в кристалле по каким-то причинам присутствует большое количество межузельных атомов, то они легко перемещаются по решетке. Такой механизм диффузии предполагается, например, для азота в алмазе.

Вакансионный механизм диффузии заключается в миграции атомов по кристаллической решётке при помощи вакансий. Атомы вокруг вакансии колеблются и, получив определенную энергию, один из этих атомов может перескочить на место вакансии и занять её место в решетке, в свою очередь, оставив за собой вакансию. Так происходит перемещение по решетке атомов и вакансий, а значит и массоперенос. Энергия, необходимая для перемещения вакансии или атома по решетке, называется энергией активации.

В любом процессе диффузии кристаллических твёрдых телах, как правило, имеют место все перечисленные механизмы движения атомов. Однако, вероятность протекания этих процессов в кристалле различна.

Так, прямой обмен атомов требует очень большого искажения решетки в этом месте и связанной с ним концентрации энергии в малой области. Поэтому данный процесс оказывается маловероятным. Маловыраженным является и кольцевой обмен.

Кроме объёмной диффузии, в кристаллах наблюдается поверхностная диффузия, диффузия по границам зёрен и блоков, порам, дислокациям. В поликристаллическом веществе диффузия по границам зёрен может быть основным видом диффузии.

В одном и том же кристалле при различных условиях и для различных атомов диффузия может происходить по различным механизмам с различными энергиями активации. Диффузия может быть сложным, многоступенчатым процессом, каждый из которых имеет свою температурную зависимость. В твёрдых телах при нормальных условиях диффузионные процессы происходят медленно. Например, если медь покрыть золотом, то будет происходить диффузия золота в медь, но при нормальных условиях (комнатная температура и атмосферное давление) золотосодержащий слой достигнет толщины в несколько микрометров только через несколько тысяч лет.

Увеличение температуры всегда ускоряет диффузию. Протекающие при высоких температурах диффузионные процессы в твёрдых телах часто находят практическое применение.

Давление оказывает сложное влияние на диффузию и зависит от механизма диффузии. Если диффузия происходит по вакансионному механизму, то увеличение давления уменьшает содержание вакансий. Происходит это потому, что увеличение содержания вакансий увеличивает объем кристалла, а давление стремится уменьшить объем кристалла и поэтому понижает содержание вакансий, соответственно уменьшая скорость диффузии. Если диффузия происходит по межузельному механизму, то, с одной стороны, увеличение давления повышает содержание межузельных атомов, с другой же стороны, атомы в кристалле сближаются, и перемещение между узлами затрудняется.