atoomdiffusie

Atoomdiffusie is het proces waarbij atomen binnen een vaste stof migreren als reactie op temperatuur, concentratieverschillen en de aanwezigheid van defecten. In kristallijne materialen vindt diffusie meestal plaats via meerdere mechanismen: vacanciesdiffusie, waarbij een atoom een leegte (een vacante plek) inneemt; interstitiële diffusie, waarbij kleinere atomen door tussenruimtes in het rooster bewegen; en grain-boundary diffusie, waarbij migratie sneller langs korrelgrenzen verloopt dan in het bulkrooster. Ook oppervlakte- en defectgerelateerde diffusiestromen kunnen bepalend zijn voor de chemische homogenisatie of de groei van oxidefilms.

De beweging van atomen wordt beschreven door Fick’s wetten. De flux J is gelijk aan minus de diffusiecoëfficiënt D maal de gradiënt van de concentratie, J = -D ∇c. De verandering van de concentratie volgt ∂c/∂t = ∇·(D ∇c). De diffusiecoëfficiënt D is temperatuurafhankelijk en vaak uitgedrukt als D = D0 exp(-Ea/(kB T)), met Ea als activatie-energie en kB de Boltzmann-constante. D kan anisotroop zijn in anisotrope kristallen en is doorgaans aanzienlijk hoger langs korrelgrenzen dan in het bulkrooster.

Factoren die diffusie beïnvloeden zijn onder meer temperatuur, crystal­lstructuur, aanwezigheid van defecten en dopings, korrelgrootte en spanning. Een kenmerkende schaal van diffusie is de diffusieafstand L ≈ sqrt(2 D t).

Toepassingen van atoombdiffusie zijn onder meer warmtebehandeling en legeringsontwerp in metallurgie, diffusiebinding en lassen, doping en profilering van halfgeleiders, oksidevorming en corrosiebescherming. Meetmethoden omvatten tracerdiffusie met radioactieve isotopen en analysetechnieken zoals Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS). Modellen worden toegepast in CALPHAD-kinetiek en kinetische Monte Carlo-simulaties.