diffusionsbarriärer

Diffusionsbarriärer är energibarriärer som atomer, joner eller molekyler måste övervinna när de diffunderar mellan positioner i ett material. Denna migreringsenergi, ofta kallad diffusionsbarriär eller migreringsenergi, avgör hur lätt diffusionsprocessen kan ske vid en given temperatur. Diffusionen följer vanligtvis en Arrhenius-liknande relation där diffusionstalet D ges av D = D0 exp(-Ea/(kB T)), där D0 är en förutbestämd frekvensfaktor, Ea är aktiveringsenergin, kB är Boltzmanns konstant och T är den absoluta temperaturen. Ea används ofta som ett mått på hur mycket energi som krävs för att diffusionshoppet över den lokala energikullen ska ske.

Olika diffusionsmekanismer påverkar barriären. Inom kristallina fasta lösningar dominerar substitutionell diffussion och interstitiell diffussion, där respektive migreringsenergier skiljer sig. Diffusionen påverkas också av materialets struktur och defekter. Gränsytor mellan korn, dislokationer, porer och ytor erbjuder ofta lägre barriärer och därmed snabbare diffusion jämfört med den perfekta kristallen.

Mätning och beräkning av diffusionsbarriärer används inom många områden, bland annat sommarting i materialvetenskap och elektrolyter. Experimentella metoder inkluderar tracerdiffusion och sekundärjonspektroskopi, medan teoretiska beräkningar ofta utnyttjar täthetsfunktionell tätning (DFT) och nudged elastic band-metoden för att hitta övergångstillstånd.

Betydelsen av diffusionsbarriärer är stor för exempelvis dopning och korrosion i halvledare, batteri- och elektrolytmaterial, keramiska krämer och katalytiska system, där de styr diffusionshastigheter och därmed materialets funktion och livslängd.