Slide vật liệu nano và màng mỏng khuếch tán

.c om cu u du o ng th an co ng KHUẾCH TÁN CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Khuếch tán dịch chuyển phần tử c om (nguyên tử, ion, phân tử,…) môi trường rắn, an co ng lỏng, khí th Trong chương xét mơi trường rắn du o ng Khuếch tán tinh thể di chuyển cu khuếch tán u defect Nếu cấu trúc hồn hảo khơng có CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt .c om ng co an th ng du o u cu CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Có nhiều loại khuếch tán: c om - Khuếch tán ngẫu nhiên (Random diffusion) co ng - Tự khuếch tán (Self diffusion) ng th an - Khuếch tán sai hỏng (Defect diffusion) u du o - Khuếch tán vết (Tracer diffusion) cu - Khuếch tán hóa học (Chemical diffusion) - Khuếch tán lưỡng cực (Ambipolar diffusion) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt • Khuếch tán ngẫu nhiên lượng nhiệt c om không cần chênh lệch nồng độ lực tác động co an thành phần (vd ion oxit) ng • Tự khuếch tán khuếch tán ngẫu nhiên ng th • Khuếch tán defect liên quan đến khuếch tán ngẫu du o nhiên defect cu u • Những khuếch tán lại khuếch tán với dịch chuyển theo hướng đó, chênh lệch nồng độ lực CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Thông lượng khuếch tán J số nguyên tử (lượng chất) M c om khuếch tán qua đơn vị diện tích A đơn vị thời an co ng gian th ng J dM dt u du o A cu Đơn vị: ngtu/m2.s kg/m2.s CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Khuếch tán nhiệt c om Fourier tìm cơng thức thơng lượng nhiệt ng môi trường tỉ lệ với gradient nhiệt co an th dx : hệ số dẫn nhiệt [J/(cm.s.K)] ng κ dT du o jq jq: thông lượng nhiệt [J/(cm2s)] cu u Dấu “-” công thức thể nhiệt truyền từ nhiệt độ cao nhiệt độ thấp CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Định luật khuếch tán thứ Fick Khuếch tán dừng: q trình khuếch tán mà thơng lượng c om khuếch tán khơng thay đổi theo thời gian Phương trình khuếch tán phần tử từ nồng du o ng dx an D dC th J co ng độ cao nồng độ thấp tương tự với khuếch tán nhiệt cu u J: thông lượng hạt D: hệ số khuếch tán Dấu “-” công thức thể phần tử vật chất từ nồng độ cao nồng độ thấp CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Hệ số khuếch tán D phụ thuộc vào c om  Cơ chế khuếch tán ng  Nhiệt độ khuếch tán an co  Loại cấu trúc (BCC > FCC) ng th  Sự hoàn hảo tinh thể cu u du o  Nồng độ phần tử khuếch tán CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt J D C ng c om x an co Do: số khuếch tán không phụ thuộc nhiệt độ (m2/s) th Qd: lượng kích hoạt khuếch tán (J/mol or eV/atom) du o ng R: số khí lí tưởng (8.31 J/mol-K) ΔC cu u T: nhiệt độ tuyệt đối (K) Sự chênh lệch nồng độ (gradient nồng độ) [kg/m4] Δx CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Những yếu tố ảnh hưởng đến hệ số khuếch tán s Γ s n t ng r co D c om Hệ số khuếch tán ngẫu nhiên ng - Tần số dao động th an Tốc độ nhảy (tần số nhảy) phụ thuộc số yếu tố u cu bước nhảy du o - Tỉ lệ dao động đủ lượng để tạo - Số vị trí lân cận để nhảy tới - Tỉ lệ hạt tự để nhảy - Tỉ lệ vị trí mà hạt nhảy tới CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Sự khuếch tán chế nút khuyết Γ ω Z N ng : tần số nhảy tới vị trí lân cận d c om Tốc độ nhảy co Z: số vị trí lân cận gần nguyên tử th an Nd: tỉ lệ nồng độ nút khuyết tinh thể du o cu D u kề với nó) ng (nguyên tử nhảy có nút khuyết vị trí liền r s Γ CuuDuongThanCong.com s ω Z N d https://fb.com/tailieudientucntt Ví dụ: cấu trúc BCC nguyên tử có nguyên tử s ao: số mạng tinh thể ng Bước nhảy s ao c om gần (Z = 8) a0 ω N r an d th D co du o ng Tổng quát cho cấu trúc lập phương α a u r cu D ω N Trong cấu trúc BCC, FCC CuuDuongThanCong.com d =1 https://fb.com/tailieudientucntt Sự khuếch tán chế xen kẽ D c om Xét khuếch tán nguyên tử tạp chất hòa tan xen kẽ s Zω r ng Ví dụ: trường hợp khuếch tán nguyên tử O, N, C, H hòa co tan xen kẽ kim loại th an Xét nguyên tử O, N có cấu trúc BCC hịa tan vào kim loại ng nhóm V (V, Nb,Ta) nằm vị trí octahedral du o Trong trường hợp ngun tử xen kẽ có vị trí octahedral lân cận gần cu u Z=4 Bước nhảy s D r a o ω CuuDuongThanCong.com a s o ao: số mạng tinh thể = 1/6 https://fb.com/tailieudientucntt Sự phụ thuộc nồng độ sai hỏng c om Nút khuyết chất rắn: nguyên tử khuếch tán nhảy vị trí gần kề nút khuyết Tần số nhảy n/t tỉ lệ với nồng độ nút khuyết d ng exp( ) RT exp( d ΔH )exp( R an N ΔS d co ΔG d ) RT cu u du o ng th ΔG, ΔS, and ΔH lượng tự Gibbs, entropy, enthalpy trình hình thành sai hỏng nút khuyết ΔHd dương nồng độ nút khuyết tăng nhiệt độ tăng Nút khuyết oxit thiếu hụt oxy CuuDuongThanCong.com N d [v ] O ( 14 K / 0, vO ( 14 K ) 1/3 / vO ) 1/3 pO 1/6 ΔH exp( 3RT https://fb.com/tailieudientucntt vO )p 1/6 O .c om Sự phụ thuộc nhiệt độ tần số co ng Tốc độ dao động đủ lượng chứa: th an -Tần số dao động cu u du o ng -Năng lượng Gibbs (entropy, enthalpy) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Khi nguyên tử nhảy hai vị trí xác định tinh thể chúng phải vượt qua hàng rào biên Thế c om nguyên tử khuếch tán từ vị trí sang vị trí khác mơ ng tả hình co Độ cao hàng rào ∆Hm Mỗi nguyên tử dao động th an quanh vị trí biểu diễn phân bố Boltzman, du o ng đủ lượng để vượt qua lượng biên Tần số νexp cu ω ΔS u nhảy tỉ lệ exp(-∆Hm/RT) m exp R CuuDuongThanCong.com ΔH m RT https://fb.com/tailieudientucntt / a) H : hệ số phụ thuộc cấu trúc /M ng a: số mạng m c om ( th an co M: khối lượng ng Một hạt dao động giếng lượng dao động cu u du o nhanh ( tăng) rào ∆Hm tăng Hiệu ứng Meyer-Neldel CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Sự khuếch tán nút khuyết vật rắn r α a ΔH R RT ΔS ωN N d exp( d d )exp( d co ng D c om Hệ số khuếch tán ngẫu nhiên ν exp m exp du o ω ΔS ng th an Tốc độ nhảy m D D o exp RT cu u R ΔH D r α a ν exp CuuDuongThanCong.com ΔS ΔS d R m (Δ H exp d ΔH m RT https://fb.com/tailieudientucntt ) Q RT ) Sự khuếch tán nút khuyết oxit thiếu hụt kim loại Hệ số khuếch tán ngẫu nhiên ( 14 K / 0, vO ) 1/3 / ) vO 1/3 pO vO 3RT ΔH exp ΔS r )p 1/6 O α a ν ( 14 ) 1/3 1/6 pO CuuDuongThanCong.com m RT cu R D d ng m du o ΔS u ν exp exp( Tốc độ nhảy ω 1/6 ΔH ω N co O ( 14 K an d ] th [v r ng Nồng độ nút khuyết N α a c om D exp vO ΔS ( m exp R ΔH Q vO ΔH RT https://fb.com/tailieudientucntt m ) Sự khuếch tán nút khuyết oxit pha tạp aceptor Hệ số khuếch tán ngẫu nhiên ω exp α a c om r // M ω N ] ΔH m exp RT ng th an R m co Tốc độ nhảy ΔS [A ng Nồng độ nút khuyết [v O ] D r αa // cu D u du o Q ν[A M ]exp CuuDuongThanCong.com ΔS R m exp ΔH m RT https://fb.com/tailieudientucntt d Hệ số khuếch tán sai hỏng điểm Hệ số khuếch tán nút khuyết α a0 ω N c om D v co ng N = – Nd, thông thường N ~ D rN d u Tổng quát: D vN cu D rN du o ng th an Mối quan hệ hệ số tự khuếch tán Dr khuếch tán nút khuyết Dv: DdN CuuDuongThanCong.com d Dd: hệ số khuếch tán sai hỏng điểm https://fb.com/tailieudientucntt Sự khuếch tán proton oxit kim loại c om Proton kết hợp với ion oxy hình thành ion hydroxit Khi proton khơng cịn electron tương tác mạnh với đám mây co ng electron ion oxit trạng thái cân ion hydroxit an bị đám mây electron hóa trị bao phủ Liên kết O-H du o cu u 140pm ng th hình thành có độ dài bé 100pm bán kính ion oxit Proton khuếch tán theo hai chế: tự vehicle CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Cơ chế khuếch tán tự c om Proton nhảy từ ion oxy tới ion liền kề Sau lần nhảy proton hydroxit quay để định hướng lại đám mây cu u du o ng th an co ng electron tiếp tục nhảy tới phía trước CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt .c om Cơ chế khuếch tán vehicle ng Proton dịch chuyển hành khách ion oxit Ion co hydroxit di chuyển theo chế nút khuyết oxy th an ion hydroxit xen kẽ du o ng Phân tử nước ion hydronium (H3O+) xem cu u vehicle cho khuếch tán ion proton CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt ... (vd ion oxit) ng • Tự khuếch tán khuếch tán ngẫu nhiên ng th • Khuếch tán defect liên quan đến khuếch tán ngẫu du o nhiên defect cu u • Những khuếch tán cịn lại khuếch tán với dịch chuyển theo... Có nhiều loại khuếch tán: c om - Khuếch tán ngẫu nhiên (Random diffusion) co ng - Tự khuếch tán (Self diffusion) ng th an - Khuếch tán sai hỏng (Defect diffusion) u du o - Khuếch tán vết (Tracer... https://fb.com/tailieudientucntt Định luật khuếch tán thứ Fick Khuếch tán dừng: trình khuếch tán mà thông lượng c om khuếch tán không thay đổi theo thời gian Phương trình khuếch tán phần tử từ nồng du o ng