开始时左边容器中充有分压为Po的一氧化碳和分压为P-P。
的氮气所组成的混合气体,右边容器中装有压强为p的纯氮气。
设一氧化碳中扩散的扩散系数都是D,要求求出左边容器中一氧化碳分压随时间变化的函数关系。
我们先设m和n2分别为左、右两容器中一氧化碳的数密度,管道中一氧化碳的数密度梯度为宁,从左边容器流向右边容器的一氧化碳粒子流率为
d2_D①-山
dtVL
等式两边分别除以容器体积V,因,故
dn’n’_n2
1=-D12A
dtVL
又因一氧化碳总粒子守恒,即n1n2=no,或m二no-n1,n,-n3n1-no,将它们
代入上式可得
两边积分,考虑到在t=0时,口(0)=n°,故
12DAt
山⑴n°[1exp()]
2LV
由于一氧化碳分压
P1二n*T,p。
=n°kT,故
12DAt
pi=2Po[1exp(一*)]
式中包含一指数衰减项,可见当t——时,pi-。
2
4可以看作布朗粒子运动的扩散公式
在上面菲克定律中所研究的扩散是仅在一维(如z轴)方向上存在分子数密度梯度情况下的扩散。
有很多扩散现象在x、y、z三个方向上均存在分子数密度梯度的情况下发生的。
我们经常看到这样一种现象,若在空间某处积聚某种粒子,由于热运动,这些粒子要向周围分散开来,这就是可以看做布朗粒子无规则行走的扩散。
布朗粒子与气体分子无本质区别,其轨迹均是无规则的。
无论是布朗粒子,还是与背景气体不同的另一种气体分子,只要知道它们在背景气体中的扩散系数,就可知道其扩散的快慢,现在我们以布朗粒子做研究对象,则该粒子将等概率地向空间任何方向运动。
现以0点为原点,某方向作为x方向,设经过t时间的位移在x方向上的投影为x(t),显然x(t)二0,x2(t)=0。
爱因斯坦最早于1905年证明了
(4)
x2(t)=2Dt
其中为气体的黏性系数,r为布朗粒子半径,D为该布朗粒子在背景气体中的扩散系数。
1908年法国物理学家朗之万(Langevin,1872-1946)采用他自己称之为“无比简单的方法”,同样导出了(4)式。
(4)式有很重要的应用,利用它来估算扩散所需要的时间特别方便[7]。
比如在人的肺中,氧气通过扩散从肺内转移到毛细血管内,而二氧化碳也从毛细
血管转移到肺内,这两种转移都在肺泡内进行。
已知肺泡的“半径”为r=10,m,氧
气在空间中的扩散系数D=1.7810^m2J,现在想要估计一下氧气从肺泡中心扩
散到肺泡壁上的毛细血管所需的时间
那么由上面的(4)式可知,氧气分子从肺泡中心扩散到肺泡壁所需时间的数量级为
~2
tr〜10,s
2D
由于氧气通过毛细血管所需时间,较氧分子从肺泡中心扩散到肺泡壁所需的时间少得多,而总的扩散时间为上述两者时间之和,显然总的扩散时间远小于人工呼吸的周期,因而能保证一次呼吸所吸进的大部分氧气都能进入毛细血管,并继续扩散到红细胞中
与血红蛋白分子结合。
5扩散现象的应用
5.1扩散现象在半导体工艺中的应用
5.1.1扩散搀杂
在半导体材料搀杂n型或p型导电杂质来调变其阻值,但是这些电杂质却不会影响半导体材料的机械物理性质,这一特点是创造出p-n接合面、二极管、晶体管及集
成电路的基础⑹。
而利用扩散来达成导电杂质搀染是其制作过程的初期重要步骤。
我们知道,质量传输(masstransfer)、热传递(heattransfer)、与动量传输(momentumtransfer)都是自然界中已知的输运现象。
本文所讲的杂质扩散就能属于质量传输的一种,它需要在8500C以上的高温环境下,效应才能足够明显。
由于杂质扩散属于扩散现象,杂质浓度C(concentration;每单位体积具有多少数目的导电杂质或载子)服从
扩散方程:
丽=2Dt。
此方程与扩散时间t及扩散深度x有关,即在某一时刻,杂质浓度会从物体的表面位置,往深度方向逐渐作递减变化,而形成一个随深度x变化
的浓度曲线;而另一方面,这条浓度曲线却又随着扩散时间的增加而改变其样式,当
时间趋于无穷大时,平坦一致的扩散浓度将会分布前进。
而既然是扩散微分方程式,不同的边界条件(boundaryconditions)施予,会产生不同情况下的浓度分布外形。
固定表面浓度(constantsurfaceconcentration)与固定表面搀杂量(constantsurfacedosage)是两种常被讨论的具有解析精确解的扩散边界条件[9]。
5.1.2前扩散
第一种确定浓度边界条件的浓度解析解是所谓的互补误差函数(complementary
errorfunction),它对应的扩散步骤我们称为前扩散,也就是我们了解的一般的扩散制程。
当高温炉管的温度升至工作温度后,把待扩散晶圆放入炉中,然后开始释放扩散源(一般来说p型扩散源通常是固体呈晶圆状的氮化硼芯片,n型则为液态PoCl3加热后形成的蒸气)进行扩散制程。
其浓度横剖面的特征是杂质集中在表面,表面浓度最高,并随深度的递进迅速减低,也就是说说表面浓度梯度(gradient)值最高[10]。
5.1.3后驱入
第二种定搀杂量的边界条件,具有高斯分布(Gaussiandistribution)的浓度解析
解。
对应的扩散处理过程叫做后驱入,即一般的从高温逐渐退火的程序;这个过程基本上只维持炉管的驱入工作温度,扩散源却不再释放。
那么定搀杂量的起始边界条件即是前扩散制程的结果;由于先前前扩散制作出之的杂质浓度集中于表面,可近似看作是定搀杂量的边界条件。
而扩散分成此上述的两个步骤,是为了适应阻值变化的需求[11]。
先前前扩散的杂质入植剂量在很短时间内就可以达到饱和,即使拉长前扩散的
时间,也无法再大幅增加杂质植入剂量,因此,电性上的电阻率(resistivity)特性很快趋稳定;但是由于后驱入使表面浓度及梯度减低(因杂质由表面往深处扩散),因而又营造出再一次前扩散来增加杂质植入剂量的机会[12]。
所以,借着多次反复的前扩散
与后驱入,既能调变电性上的电阻率特性,又可改变杂质电阻的有效截面积。
5.1.4关于扩散制程的其它要点,简述如下:
扩散制程由于其性质有批次制作、成本低廉的优点,但在扩散区域的边缘,难免有侧向扩散的误差,故它一般被限制在次微米(sub-micron)制程上[13]。
扩散制程后后的阻值量测,通常以四探针法(four-pointprobemethod)进行,而目
前市面已有多种商用机台可供选购。
扩散制程所需的图形定义(pattern)以及遮掩(masking),通常用氧化层(oxide)补充,以此来抵挡高温环境。
一微米厚的氧化层,就足够一般扩散制程的需求[14]。
5.2扩散现象在其他方面的应用除在半导体、冶金等行业的应用外,扩散现象在自然界中以及物理、化学、生物学科中也有着重要的作用。
它使整个地球表面附近的大气保持相同的成分;土壤里所含有的各种盐类溶液的扩散,便于植物吸收,以利生长。
下面来举例介绍一下,每一个生命系统都可分成许多组织,组织由细胞组成,细胞之间及细胞与外界之间都由细胞壁和细胞膜分割开,较高组织有循环、呼吸和消化等系统。
这些系统常常是通过扩散来交换物质的,如在肺泡中氧转移到毛细血管中,
毛细血管中C02进入肺泡,也是通过扩散来进行的。
下面介绍水如何从植物的叶向大气中散发的。
下图为树叶的局部横断面,由图1可见,在叶的中层有许多细胞,细胞间有许多相互联系的空气隙,空气隙通过位于叶背面的气孔与大气相通,细胞蒸发出的水汽通过气孔扩散到大气中。
图1树叶水分扩散图示
图中某气孔放大图形中的
0、T2分别为大气及叶内的水汽密度,L为气孔厚度,
箭号表示扩散方向。
设水汽扩散系数D=2.410』m2s',气孔截面积
A=8.010J1m2,L=2.510^m,%=0.022kgm^,0.011kgm^,由菲克定
律知该气孔1h内向外扩散的水汽质量为
1Q
mDA(4-J)t=3.010kg
虽然m很小,但一片叶子气孔数可达10》,说明一片树叶1h内可散失3g水,一棵大树有很多树叶,其散失的水分相当可观。
由此可见,绿化不仅可为人类提供充足氧气,也可使空气湿润,并调节气温。
6结论
扩散是由于分子热运动而产生的质量迁移现象,主要是由于密密度差引起的,实
际的扩散现象都是较为复杂的。
扩散现象本身在自然界及人们的现实生活中都有重要的应用,而随着科学技术的快速发展,扩散现象也越来越广泛的被应用到工农业生产以及医学领域[15]。
扩散现象与人们的生活息息相关,加深对扩散现象的研究及对其的控制,利用其特有的性质和优点,会为其应用发展提供更广阔的发展空间。
参考文献:
[1]肖国屏.热学[M].北京:
高等教育出版社,1989:
23-25.
[2]肖国屏.热学[M].北京:
高等教育出版,1989:
89-101.
[3]罗蔚茵,许煜寰.热学基础[M].广东:
中山大学出版社,1990:
45-49.
[4]吴瑞贤,杜定旭,杨友梅.热学教程[M].四川:
四川大学出版社,1986:
24-26.
[5]秦允豪.热学[M].江苏:
南京大学出版社,1990:
19-25.
[6]张敏,朱波,王启芬.单向碳纤维复合材料微观形貌与性能相关性研[J]•纤维复合材料,2007,
(2):
24.
[7]ZhangXiong,Wenqing.EDExaminationofCoil一CarbonNanotubes[J].JournalofZhejiangAgriculturalUniversity,1998(4):
82-87.
[8]M.J.Yacaman,M.M.Yoshida,L.Rendon.Catalyticgrowthofcarbonmicrotubuleswithfullerenestructure[J].Appl.Phys.Lett.,1993,(62):
202-204.
[9]周曦亚,曾群.低温快烧制备CaO-AI2O3-SQ2系微晶玻璃的组成与微观结构[J].玻璃与搪瓷,
2004,32(6):
7-10.
[10]吴剑锋.低温烧结BaO-AI2O3-SiO2系微晶玻璃的析晶特性及应用研究[D]•国防科学技术大
学硕士学位论文,2006.
[11]邱文革,黄少强,陈江涛.玻璃纤维及二氧化硅微粒表面的化学镀银工艺[J].材料保护,2005,
(8).
[12]冯博,杨辉,吴春春,陆文伟.掺杂比与热处理温度对锑锡氧化物结构和导电性能的影响[J]•电
子元件与材料,2004,(3).
[13]AIvarezI,GuiIIardt,OIaIedg,etaI.LargescaIesoIarproductionoffuIIerenesandcarbonnonatubes[J].SynthMet,1999,103(13):
2476-2477.
[14]M.J.Yacaman,M.M.Yoshida,L.Rendon.CataIyticgrowthofcarbonmicrotubuIeswithfuIIerene
structure[J].AppI.Phys.Lett.,1993,(62):
345-351.
[15]G.B,Adams,J.B.Page.Thetoxinsofcyanbacteria[J].Science,1992,(256):
1792.