Diffusionsegenskaperna

Diffusionsegenskaperna beskriver hur atomer eller molekyler sprids i ett material eller medium till följd av en koncentrationsgradient. Dessa egenskaper bestäms främst av diffusionskoefficienten (diffusionskoefficienten D) och av de mekanismer som dominerar i systemet, såsom bulkdiffusion, korngrännsdiffusion, ytdiffusion eller interstitiell diffusion. Diffusionen påverkas av temperatur, tryck och materialets mikrostruktur, inklusive defekter, kornstorlek och fasgränser.

Diffusionskoefficienten D är ett centralt mått på hur snabbt diffusionen sker. Den följer ofta ett Arrhenius-liknande temperaturberoende: D = D0 exp(-Ea/(kT)). Ficks första lag beskriver diffusionsflödet som J = -D ∇c, och Ficks andra lag beskriver hur koncentrationsfältet utvecklas över tid: ∂c/∂t = D ∇^2 c (vid konstant D). Diffusion kan vara isotrop i flytande lösningar, medan den i kristaller ofta är anisotrop beroende på kristallin struktur. Olika mekanismer reagerar olika på mikrostrukturen: substitutionell diffusion via vakansdiffusion, interstitiell diffusion mellan atomer, samt ytdiffusion och korngrännsdiffusion.

Mätningar av diffusionsegenskaper utförs ofta med tracer-diffusion, sekundär jonmärkning (SIMS), NMR-diffusometri samt neutron- eller röntgenbaserade tekniker. Modeller för diffusion över tid används för att beskriva praktiska profilutbredningar, särskilt i materialförädling och internt dop-förändringar.

Användningsområden inkluderar dopdiffusion i halvledare, diffusionsdrivna processer i batterier och elektroder, korrosion och materialförbättring, samt diffusion i biologiska vävnader där transport av läkemedel eller metaboliter styr diffusionsegenskaperna. Diffusionsegenskaperna samverkar med mikrostruktur och externa betingelser och utgör därför centrala parametrar inom materialvetenskap och relaterade fält.