Gitterdiffusionen

Gitterdiffusionen bezeichnen Diffusionsprozesse, bei denen Atome oder Moleküle innerhalb eines kristallinen Festkörpers durch das Gitter wandern. In der Regel erfolgen sie durch Sprünge zwischen benachbarten Gitterpositionen (Sprungdiffusion). Ein zweiter Hauptmechanismus ist die Interstitielle Diffusion, bei der kleine Teilchen in Zwischenräumen des Gitters wandern. Welche Mechanismen dominiert, hängt von der Natur des diffundierenden Spezies und der Kristallstruktur ab. Gitterdefekte spielen eine zentrale Rolle: Vakanzen ermöglichen Sprünge, Interstitielle Atome benötigen oft weniger Aktivierungsenergie, diffundieren aber nur bei passenden Zwischenräumen.

Die Diffusionskinetik wird durch die Diffusionskonstante D beschrieben, die sich typischerweise wie D = D0 exp(-Q/kT) verhält, wobei Q die Aktivierungsenergie, D0 der Preexponentialfaktor und k die Boltzmann-Konstante ist. In anisotropen Kristallen ist D oft richtungsabhängig; Diffusionspfade folgen bestimmten Kristallrichtungen. Der Prozess kann auch durch Korrelationen zwischen Sprüngen beeinflusst werden.

Experimentell werden Gitterdiffusionen unter anderem durch Tracer-Diffusion, Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS) oder Röntgenbeugung verfolgt. Theoretisch werden sie in der Kristallographie und Materialforschung mit Modellen der Diffusion, Atomistik- oder DFT-Rechnungen beschrieben.

Anwendungen finden sich in der Wärmebehandlung und Legierungsentwicklung, der Halbleitertechnik zur Dotierung sowie in Problemen der Wasserstoff- und Gasspeicherung in Metallgittern. Typische Beispiele sind C- oder N-Diffusion in Eisen, O-Diffusion in Silizium und H-Diffusion in Metallen.