Layerdiffusjon

Layerdiffusjon, eller interdiffusjon mellom lag, beskriver bevegelse av atomer eller molekyler over grensen mellom to eller flere lag i et flerlagert materiale, som tynnefilmstabler, coatinger eller halvlederstrukturer. Prosessen fører til at sammensetningen i hvert lag endres over tid, spesielt ved forhøyet temperatur og driftsbetingelser.

Drivkrefter er konsentrasjonsgradient og termisk energi. Diffusjon følger ofte Ficks lover: Ficks første lov gir at fluxen er proporsjonal med konsentrasjonsgradienten, og Ficks andre lov beskriver tidsendringen av konsentrasjonen. Diffusjonen kan være anisotrop, og i flerlagsstrukturer skjer interdiffusjon ofte i grenseflaten mellom lagene eller i et smalt område ved grensen. Diffusjonshastigheten kan beskrives med Arrhenius-ligningen D = D0 exp(-Q/RT). Interdiffusjon skjer ofte via vakanse- eller interstitialmekanismer, og når de ulike lagene har forskjellige diffusjonshastigheter, kan Kirkendall-effekten oppstå.

Konsekvenser og bruksområder: interdiffusjon kan endre tykkelsen og sammensetningen av hvert lag, forringe barrieregenskaper eller fremme diffusiv bonding og gradientbelegg. Innen elektronikk og optikk er kontroll av layerdiffusjon avgjørende for ytelse og pålitelighet, for eksempel i dopingsprofiler i halvlederstrukturer og i termiske beskyttelsesbelegg.

Måling og modellering: metoder som SIMS, RBS og XRR kartlegger sammensetningsprofiler, mens numeriske løsninger av diffusionslikninger med passende grensebetingelser brukes i design og forutsigelser.