SlideShare a Scribd company logo
Chapter 5 -
1
ISSUES TO ADDRESS...
• How does diffusion occur?
• Why is it an important part of processing?
• How can estimate the rate of diffusion ?
• How does diffusion depend on:
Structure and temperature ?
Chapter 5
Diffusion in Solids
• What is diffusion ?
Chapter 5 -
2
Diffusion
Diffusion: Mass transport by atomic motion
From regions of High Concentration to regions of Low Conc.
Mechanisms
• Gases & Liquids – random molecular motion
• In Solids:
• Every Atom is vibrating  Vibrational Energy
 Atoms are in constant motion: migration from lattice site to another
• Types in Solids:
1) Vacancy diffusion
- Substitutional
- Self
2) Interstitial diffusion (more rapid)
Chapter 5 -
3
Diffusion Mechanisms
Vacancy Diffusion:
• atoms exchange with vacancies
• applies to substitutional impurities atoms
• Rate depends on:
--number of vacancies
--activation energy to exchange.
With time
Chapter 5 -
4
• Interdiffusion: e.g. in an alloy:
atoms tend to migrate from regions of high conc. to regions of low conc.
Types of Diffusion
After some timeInitially
Chapter 5 -
5
• Self-diffusion: In an elemental solid:
Atoms also migrate.
Label some atoms After some time
Types of Diffusion
A
B
C
D
A
B
C
D
Random Atomic Motion
Chapter 5 -
6
Types of Diffusion
Interstitial diffusion:
smaller atoms can diffuse between atoms.
Interstitial diffusion is faster than vacancy diffusion
Chapter 5 -
7
Process: Case Hardening
Starting with low carbon gear (iron)
Subject it to carbon medium
Diffuse carbon atoms into the host iron atoms at the surface.
This is an example of interstitial diffusion (case hardened gear).
Result
The presence of C atoms
makes iron to become steel
i.e. harder.
Application - Processing Using Diffusion
Chapter 5 -
8
• Doping silicon with phosphorus for n-type semiconductors:
• Process:
3. Result: Doped
semiconductor
regions.
silicon
Another Application
magnified image of a computer chip
0.5mm
light regions: Si atoms
light regions: Al atoms
2. Heat it.
1. Deposit P rich
layers on surface.
silicon
Chapter 5 -
9
Diffusion Calculations
( )( ) sm
kg
or
scm
mol
timeareasurface
diffusingmass)(ormoles
Flux 22
=≡≡J
Estimation of the rate of diffusion?
Steady State Diffusion: Rate is independent of time
Flux is proportional to concentration gradientgradient =
dx
dC
C1
C2
x
C1
C2
x1 x2
Fick’s first law of diffusion
dx
dC
DJ −=
12
12linearif
xx
CC
x
C
dx
dC
−
−
=
∆
∆
≅
D ≡ diffusion coefficientcoefficient
Chapter 5 -
10
Diffusion Experiments
Experiment:
– Make a thin film (membrane) of known surface area
– Impose concentration gradient (dc/dx)
– Measure how fast atoms or molecules diffuse through the membrane:
i.e. measure moles or mass (M) passes versus time
Then, calculate:
( )( ) sm
kg
or
scm
mol
timeareasurface
diffusingmass)(ormoles
Flux: 22
=≡≡JAgain
dt
dM
A
l
At
M
J ==
M =
mass
diffused
time
J ∝ slope
For obtaining rate of diffusion Empirically
Chapter 5 -
11
Application and Example
Chemical Protective Clothing (CPC)
Background of the Example:
• Methylene chloride is a common ingredient of paint removers.
• Besides being an irritant, it also may be absorbed through skin.
• When using this paint remover, protective gloves should be worn.
Example: Diffusion of Methylene chloride through Gloves
If butyl rubber gloves (0.04 cm thick) are used,
what is the diffusive flux of methylene chloride through the glove?
Data:
– diffusion coefficient in butyl rubber:
D = 110x10-8
cm2
/s
– surface concentrations
C2 = 0.02 g/cm3
C1 = 0.44 g/cm3
Chapter 5 -
12
scm
g
10x16.1
cm)04.0(
)g/cm44.0g/cm02.0(
/s)cm10x110(
2
5-
33
28-
=
−
−=J
Example-Solution
12
12-
xx
CC
D
dx
dC
DJ
−
−
−≅=
D
tb
6
2

=
glove
C1
C2
skinpaint
remover
x1 x2
Assuming linear concentration gradient – Steady State
D = 110x10-8
cm2
/s
C2 = 0.02 g/cm3
C1 = 0.44 g/cm3
x2 – x1 = 0.04 cm
Data:
Chapter 5 -
13
Parameters affecting Diffusion Coefficient
Temperature
Diffusion Coefficient depends on
1) Type and size of diffusing species (& host materials)
2) Temperature: diffusion coefficient increases with increasing T:
D = Do exp





−
Qd
RT
= pre-exponential [m2
/s]
= diffusion coefficient [m2
/s]
= activation energy [J/mol or eV/atom]
= gas constant [8.314 J/mol-K]
= absolute temperature [K]
D
Do
Qd
R
T
A plot ln D versus 1/T ?
Slope = -Qd/R
ln D
1/T
Chapter 5 -
14
Diffusion and Temperature
D has exponential dependence on T
Dinterstitial >> Dsubstitutional
C in α-Fe
C in γ-Fe
Al in Al
Fe in α-Fe
Fe in γ-Fe
1000K/T
D (m2
/s) C in α-Fe
C
in
γ-Fe
Alin
Al
Fe
in
α-Fe
Feinγ-Fe
0.5 1.0 1.5
10-20
10-14
10-8
T(°C)
1500
1000
600
300
Chapter 5 -
15






−=





−=
1
01
2
02
1
lnlnand
1
lnln
TR
Q
DD
TR
Q
DD dd






−−==−∴
121
2
12
11
lnlnln
TTR
Q
D
D
DD d
transform
data
D
Temp = T
ln D
1/T
Example:
At 300ºC the diffusion coefficient and activation energy for Cu in Si are
D(300ºC) = 7.8 x 10-11
m2
/s
Qd = 41.5 kJ/mol
What is the diffusion coefficient at 350ºC?
Chapter 5 -
16
Example (cont.)












−
−
= −
K573
1
K623
1
K-J/mol314.8
J/mol500,41
exp/s)m10x8.7( 211
2D












−−=
12
12
11
exp
TTR
Q
DD d
T1 = 273 + 300 = 573K
T2 = 273 + 350 = 623K
D2 = 15.7 x 10-11
m2
/s
Chapter 5 -
17
Non-steady State Diffusion
Optional
• The concentration of diffusing species is a function of
both time and position C = C(x,t)
• In this case Fick’s Second Law is used
2
2
x
C
D
t
C
∂
∂
=
∂
∂Fick’s Second Law
I.C. at t = 0, C = Co for 0 ≤ x ≤ ∞
B.C. at t > 0, C = CS for x = 0 (const. surf. conc.)
C = Co for x = ∞
For solving: we need boundary and initial conditions
Chapter 5 -
18
Solution of Partial Differential Equation
C(x,t) = Conc. at point x at
time t
erf (z) = error function
erf(z) values are given in Table 5.1
CS
Co
C(x,t)
( )






−=
−
−
Dt
x
CC
Ct,xC
os
o
2
erf1
dye y
z 2
0
2 −
∫π
=
Chapter 5 -
19
Diffusion FASTER for...
• open crystal structures
• materials w/secondary
bonding
• smaller diffusing atoms
• lower density materials
Diffusion SLOWER for...
• close-packed structures
• materials w/covalent
bonding
• larger diffusing atoms
• higher density materials
Summary

More Related Content

What's hot

2006 E.C. aait materials i regular chapter 6 introduction to phase diagrams
 2006 E.C. aait materials i regular chapter 6 introduction to phase diagrams 2006 E.C. aait materials i regular chapter 6 introduction to phase diagrams
2006 E.C. aait materials i regular chapter 6 introduction to phase diagrams
fisehaye tium
 
Phase Transformation Lecture 3
Phase Transformation Lecture 3   Phase Transformation Lecture 3
Phase Transformation Lecture 3
NED University of Engineering and Technology
 
แบบฝึกหัดแรงและการเคลื่อนที่
แบบฝึกหัดแรงและการเคลื่อนที่แบบฝึกหัดแรงและการเคลื่อนที่
แบบฝึกหัดแรงและการเคลื่อนที่nik2529
 
ทฤษฎีจลน์ของแก๊ส
ทฤษฎีจลน์ของแก๊สทฤษฎีจลน์ของแก๊ส
ทฤษฎีจลน์ของแก๊ส
Chanthawan Suwanhitathorn
 
ความร้อน
ความร้อนความร้อน
ความร้อน
Chanthawan Suwanhitathorn
 
Phase transformation edited.ppt1
Phase transformation edited.ppt1Phase transformation edited.ppt1
Phase transformation edited.ppt1
Abhijeet Dash
 
Crystal structures in material science
Crystal structures in material scienceCrystal structures in material science
Crystal structures in material science
Sachin Hariprasad
 
บทที่ 6 สมบัติของสาร
บทที่ 6 สมบัติของสารบทที่ 6 สมบัติของสาร
บทที่ 6 สมบัติของสาร
Thepsatri Rajabhat University
 
Unit i-crystal structure
Unit i-crystal structureUnit i-crystal structure
Unit i-crystal structure
Akhil Chowdhury
 
บทที่ 3 แรง และ กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน
บทที่ 3 แรง และ กฎการเคลื่อนที่ของนิวตันบทที่ 3 แรง และ กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน
บทที่ 3 แรง และ กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน
Thepsatri Rajabhat University
 
Cmc chapter 07
Cmc chapter 07Cmc chapter 07
Cmc chapter 07
Jane Hamze
 
ใบงานเรื่อง คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
ใบงานเรื่อง คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าใบงานเรื่อง คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
ใบงานเรื่อง คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
Worrachet Boonyong
 
Chapter 6
Chapter 6Chapter 6
Chapter 6
headband_jason
 
Free ebooks download
Free ebooks downloadFree ebooks download
Free ebooks download
Edhole.com
 
Mt 201 b material science new
Mt 201 b material science newMt 201 b material science new
Mt 201 b material science new
Divya Gautam
 
แบบทดสอบกลางภาคเรียน วิทย์ 5 (ออกตามตัวชี้วัด)
แบบทดสอบกลางภาคเรียน วิทย์ 5 (ออกตามตัวชี้วัด)แบบทดสอบกลางภาคเรียน วิทย์ 5 (ออกตามตัวชี้วัด)
แบบทดสอบกลางภาคเรียน วิทย์ 5 (ออกตามตัวชี้วัด)
dnavaroj
 
ใบงานเรื่องงาน และพลังงาน
ใบงานเรื่องงาน และพลังงานใบงานเรื่องงาน และพลังงาน
ใบงานเรื่องงาน และพลังงานjirupi
 
คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
Thaweekoon Intharachai
 
3การแลกเปลี่ยนแก๊ส
3การแลกเปลี่ยนแก๊ส3การแลกเปลี่ยนแก๊ส
3การแลกเปลี่ยนแก๊ส
Wan Ngamwongwan
 

What's hot (20)

2006 E.C. aait materials i regular chapter 6 introduction to phase diagrams
 2006 E.C. aait materials i regular chapter 6 introduction to phase diagrams 2006 E.C. aait materials i regular chapter 6 introduction to phase diagrams
2006 E.C. aait materials i regular chapter 6 introduction to phase diagrams
 
Phase Transformation Lecture 3
Phase Transformation Lecture 3   Phase Transformation Lecture 3
Phase Transformation Lecture 3
 
แบบฝึกหัดแรงและการเคลื่อนที่
แบบฝึกหัดแรงและการเคลื่อนที่แบบฝึกหัดแรงและการเคลื่อนที่
แบบฝึกหัดแรงและการเคลื่อนที่
 
ทฤษฎีจลน์ของแก๊ส
ทฤษฎีจลน์ของแก๊สทฤษฎีจลน์ของแก๊ส
ทฤษฎีจลน์ของแก๊ส
 
ความร้อน
ความร้อนความร้อน
ความร้อน
 
Phase transformation edited.ppt1
Phase transformation edited.ppt1Phase transformation edited.ppt1
Phase transformation edited.ppt1
 
Crystal structures in material science
Crystal structures in material scienceCrystal structures in material science
Crystal structures in material science
 
บทที่ 6 สมบัติของสาร
บทที่ 6 สมบัติของสารบทที่ 6 สมบัติของสาร
บทที่ 6 สมบัติของสาร
 
Unit i-crystal structure
Unit i-crystal structureUnit i-crystal structure
Unit i-crystal structure
 
เคมีเรื่องอตอม
เคมีเรื่องอตอมเคมีเรื่องอตอม
เคมีเรื่องอตอม
 
บทที่ 3 แรง และ กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน
บทที่ 3 แรง และ กฎการเคลื่อนที่ของนิวตันบทที่ 3 แรง และ กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน
บทที่ 3 แรง และ กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน
 
Cmc chapter 07
Cmc chapter 07Cmc chapter 07
Cmc chapter 07
 
ใบงานเรื่อง คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
ใบงานเรื่อง คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าใบงานเรื่อง คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
ใบงานเรื่อง คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
 
Chapter 6
Chapter 6Chapter 6
Chapter 6
 
Free ebooks download
Free ebooks downloadFree ebooks download
Free ebooks download
 
Mt 201 b material science new
Mt 201 b material science newMt 201 b material science new
Mt 201 b material science new
 
แบบทดสอบกลางภาคเรียน วิทย์ 5 (ออกตามตัวชี้วัด)
แบบทดสอบกลางภาคเรียน วิทย์ 5 (ออกตามตัวชี้วัด)แบบทดสอบกลางภาคเรียน วิทย์ 5 (ออกตามตัวชี้วัด)
แบบทดสอบกลางภาคเรียน วิทย์ 5 (ออกตามตัวชี้วัด)
 
ใบงานเรื่องงาน และพลังงาน
ใบงานเรื่องงาน และพลังงานใบงานเรื่องงาน และพลังงาน
ใบงานเรื่องงาน และพลังงาน
 
คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
 
3การแลกเปลี่ยนแก๊ส
3การแลกเปลี่ยนแก๊ส3การแลกเปลี่ยนแก๊ส
3การแลกเปลี่ยนแก๊ส
 

Similar to Ch05

ch05_.pdf.pdf
ch05_.pdf.pdfch05_.pdf.pdf
ch05_.pdf.pdf
MuhammadMirwazi
 
Ch05 ppts callister7e
Ch05 ppts callister7eCh05 ppts callister7e
Ch05 ppts callister7e
Julyanne Rodrigues
 
Material science.pptx
Material science.pptxMaterial science.pptx
Material science.pptx
postdocganesh
 
diffusion final PPT.ppt
diffusion final PPT.pptdiffusion final PPT.ppt
diffusion final PPT.ppt
Spartan1173
 
Chapter 06
Chapter 06Chapter 06
Chapter 06
archnavarro31
 
Ch05 diffusion-updated sept2016-sent fall2016
Ch05 diffusion-updated sept2016-sent fall2016Ch05 diffusion-updated sept2016-sent fall2016
Ch05 diffusion-updated sept2016-sent fall2016
Savanna Holt
 
Fundamentals of Heat and Mass Transfer, Theodore L. Bergman,.docx
Fundamentals of Heat and Mass Transfer, Theodore L. Bergman,.docxFundamentals of Heat and Mass Transfer, Theodore L. Bergman,.docx
Fundamentals of Heat and Mass Transfer, Theodore L. Bergman,.docx
hanneloremccaffery
 
Material 8
Material 8Material 8
Material 8
Kareem Hossam
 
4946486.ppt
4946486.ppt4946486.ppt
4946486.ppt
ahmad21315
 
Chapter 6 Thermally Activated Process and Diffusion in Solids.
Chapter 6 Thermally Activated Process and Diffusion in Solids.Chapter 6 Thermally Activated Process and Diffusion in Solids.
Chapter 6 Thermally Activated Process and Diffusion in Solids.
Pem(ເປ່ມ) PHAKVISETH
 
Fractal Kinetics Bruyères-le-Châtel
Fractal Kinetics Bruyères-le-ChâtelFractal Kinetics Bruyères-le-Châtel
Fractal Kinetics Bruyères-le-Châtel
David L. Griscom
 
FCS Basic Ideology
FCS Basic IdeologyFCS Basic Ideology
FCS Basic Ideology
Kush Kaushik
 
Victor - Final Poster Ardo Lab - SAA - HYC
Victor - Final Poster Ardo Lab - SAA - HYCVictor - Final Poster Ardo Lab - SAA - HYC
Victor - Final Poster Ardo Lab - SAA - HYC
Victor Macedonio
 
material Science 7.pptx
material Science 7.pptxmaterial Science 7.pptx
material Science 7.pptx
kareemhamad3
 
Material Science and Metallurgy
Material Science and MetallurgyMaterial Science and Metallurgy
Material Science and Metallurgy
taruian
 
Dimensional Effect on Engineering Systems & Clean Room & Classification
Dimensional Effect on Engineering Systems & Clean Room & ClassificationDimensional Effect on Engineering Systems & Clean Room & Classification
Dimensional Effect on Engineering Systems & Clean Room & Classification
Samiran Tripathi
 
Transition metal complex
Transition metal complexTransition metal complex
Transition metal complex
Rawat DA Greatt
 
slides
slidesslides
7. dopant diffusion 1,2 2013 microtech
7. dopant diffusion 1,2 2013 microtech7. dopant diffusion 1,2 2013 microtech
7. dopant diffusion 1,2 2013 microtech
Bhargav Veepuri
 
5649.ppt
5649.ppt5649.ppt
5649.ppt
MrMovie3
 

Similar to Ch05 (20)

ch05_.pdf.pdf
ch05_.pdf.pdfch05_.pdf.pdf
ch05_.pdf.pdf
 
Ch05 ppts callister7e
Ch05 ppts callister7eCh05 ppts callister7e
Ch05 ppts callister7e
 
Material science.pptx
Material science.pptxMaterial science.pptx
Material science.pptx
 
diffusion final PPT.ppt
diffusion final PPT.pptdiffusion final PPT.ppt
diffusion final PPT.ppt
 
Chapter 06
Chapter 06Chapter 06
Chapter 06
 
Ch05 diffusion-updated sept2016-sent fall2016
Ch05 diffusion-updated sept2016-sent fall2016Ch05 diffusion-updated sept2016-sent fall2016
Ch05 diffusion-updated sept2016-sent fall2016
 
Fundamentals of Heat and Mass Transfer, Theodore L. Bergman,.docx
Fundamentals of Heat and Mass Transfer, Theodore L. Bergman,.docxFundamentals of Heat and Mass Transfer, Theodore L. Bergman,.docx
Fundamentals of Heat and Mass Transfer, Theodore L. Bergman,.docx
 
Material 8
Material 8Material 8
Material 8
 
4946486.ppt
4946486.ppt4946486.ppt
4946486.ppt
 
Chapter 6 Thermally Activated Process and Diffusion in Solids.
Chapter 6 Thermally Activated Process and Diffusion in Solids.Chapter 6 Thermally Activated Process and Diffusion in Solids.
Chapter 6 Thermally Activated Process and Diffusion in Solids.
 
Fractal Kinetics Bruyères-le-Châtel
Fractal Kinetics Bruyères-le-ChâtelFractal Kinetics Bruyères-le-Châtel
Fractal Kinetics Bruyères-le-Châtel
 
FCS Basic Ideology
FCS Basic IdeologyFCS Basic Ideology
FCS Basic Ideology
 
Victor - Final Poster Ardo Lab - SAA - HYC
Victor - Final Poster Ardo Lab - SAA - HYCVictor - Final Poster Ardo Lab - SAA - HYC
Victor - Final Poster Ardo Lab - SAA - HYC
 
material Science 7.pptx
material Science 7.pptxmaterial Science 7.pptx
material Science 7.pptx
 
Material Science and Metallurgy
Material Science and MetallurgyMaterial Science and Metallurgy
Material Science and Metallurgy
 
Dimensional Effect on Engineering Systems & Clean Room & Classification
Dimensional Effect on Engineering Systems & Clean Room & ClassificationDimensional Effect on Engineering Systems & Clean Room & Classification
Dimensional Effect on Engineering Systems & Clean Room & Classification
 
Transition metal complex
Transition metal complexTransition metal complex
Transition metal complex
 
slides
slidesslides
slides
 
7. dopant diffusion 1,2 2013 microtech
7. dopant diffusion 1,2 2013 microtech7. dopant diffusion 1,2 2013 microtech
7. dopant diffusion 1,2 2013 microtech
 
5649.ppt
5649.ppt5649.ppt
5649.ppt
 

More from Ibrahim Abuawwad

Ch10 m
Ch10 mCh10 m
Ch06 8-m-more
Ch06 8-m-moreCh06 8-m-more
Ch06 8-m-more
Ibrahim Abuawwad
 
Ch04
Ch04Ch04
Ch03 m
Ch03 mCh03 m
Ch02 m
Ch02 mCh02 m
Ch01 m
Ch01 mCh01 m

More from Ibrahim Abuawwad (6)

Ch10 m
Ch10 mCh10 m
Ch10 m
 
Ch06 8-m-more
Ch06 8-m-moreCh06 8-m-more
Ch06 8-m-more
 
Ch04
Ch04Ch04
Ch04
 
Ch03 m
Ch03 mCh03 m
Ch03 m
 
Ch02 m
Ch02 mCh02 m
Ch02 m
 
Ch01 m
Ch01 mCh01 m
Ch01 m
 

Ch05

  • 1. Chapter 5 - 1 ISSUES TO ADDRESS... • How does diffusion occur? • Why is it an important part of processing? • How can estimate the rate of diffusion ? • How does diffusion depend on: Structure and temperature ? Chapter 5 Diffusion in Solids • What is diffusion ?
  • 2. Chapter 5 - 2 Diffusion Diffusion: Mass transport by atomic motion From regions of High Concentration to regions of Low Conc. Mechanisms • Gases & Liquids – random molecular motion • In Solids: • Every Atom is vibrating  Vibrational Energy  Atoms are in constant motion: migration from lattice site to another • Types in Solids: 1) Vacancy diffusion - Substitutional - Self 2) Interstitial diffusion (more rapid)
  • 3. Chapter 5 - 3 Diffusion Mechanisms Vacancy Diffusion: • atoms exchange with vacancies • applies to substitutional impurities atoms • Rate depends on: --number of vacancies --activation energy to exchange. With time
  • 4. Chapter 5 - 4 • Interdiffusion: e.g. in an alloy: atoms tend to migrate from regions of high conc. to regions of low conc. Types of Diffusion After some timeInitially
  • 5. Chapter 5 - 5 • Self-diffusion: In an elemental solid: Atoms also migrate. Label some atoms After some time Types of Diffusion A B C D A B C D Random Atomic Motion
  • 6. Chapter 5 - 6 Types of Diffusion Interstitial diffusion: smaller atoms can diffuse between atoms. Interstitial diffusion is faster than vacancy diffusion
  • 7. Chapter 5 - 7 Process: Case Hardening Starting with low carbon gear (iron) Subject it to carbon medium Diffuse carbon atoms into the host iron atoms at the surface. This is an example of interstitial diffusion (case hardened gear). Result The presence of C atoms makes iron to become steel i.e. harder. Application - Processing Using Diffusion
  • 8. Chapter 5 - 8 • Doping silicon with phosphorus for n-type semiconductors: • Process: 3. Result: Doped semiconductor regions. silicon Another Application magnified image of a computer chip 0.5mm light regions: Si atoms light regions: Al atoms 2. Heat it. 1. Deposit P rich layers on surface. silicon
  • 9. Chapter 5 - 9 Diffusion Calculations ( )( ) sm kg or scm mol timeareasurface diffusingmass)(ormoles Flux 22 =≡≡J Estimation of the rate of diffusion? Steady State Diffusion: Rate is independent of time Flux is proportional to concentration gradientgradient = dx dC C1 C2 x C1 C2 x1 x2 Fick’s first law of diffusion dx dC DJ −= 12 12linearif xx CC x C dx dC − − = ∆ ∆ ≅ D ≡ diffusion coefficientcoefficient
  • 10. Chapter 5 - 10 Diffusion Experiments Experiment: – Make a thin film (membrane) of known surface area – Impose concentration gradient (dc/dx) – Measure how fast atoms or molecules diffuse through the membrane: i.e. measure moles or mass (M) passes versus time Then, calculate: ( )( ) sm kg or scm mol timeareasurface diffusingmass)(ormoles Flux: 22 =≡≡JAgain dt dM A l At M J == M = mass diffused time J ∝ slope For obtaining rate of diffusion Empirically
  • 11. Chapter 5 - 11 Application and Example Chemical Protective Clothing (CPC) Background of the Example: • Methylene chloride is a common ingredient of paint removers. • Besides being an irritant, it also may be absorbed through skin. • When using this paint remover, protective gloves should be worn. Example: Diffusion of Methylene chloride through Gloves If butyl rubber gloves (0.04 cm thick) are used, what is the diffusive flux of methylene chloride through the glove? Data: – diffusion coefficient in butyl rubber: D = 110x10-8 cm2 /s – surface concentrations C2 = 0.02 g/cm3 C1 = 0.44 g/cm3
  • 12. Chapter 5 - 12 scm g 10x16.1 cm)04.0( )g/cm44.0g/cm02.0( /s)cm10x110( 2 5- 33 28- = − −=J Example-Solution 12 12- xx CC D dx dC DJ − − −≅= D tb 6 2  = glove C1 C2 skinpaint remover x1 x2 Assuming linear concentration gradient – Steady State D = 110x10-8 cm2 /s C2 = 0.02 g/cm3 C1 = 0.44 g/cm3 x2 – x1 = 0.04 cm Data:
  • 13. Chapter 5 - 13 Parameters affecting Diffusion Coefficient Temperature Diffusion Coefficient depends on 1) Type and size of diffusing species (& host materials) 2) Temperature: diffusion coefficient increases with increasing T: D = Do exp      − Qd RT = pre-exponential [m2 /s] = diffusion coefficient [m2 /s] = activation energy [J/mol or eV/atom] = gas constant [8.314 J/mol-K] = absolute temperature [K] D Do Qd R T A plot ln D versus 1/T ? Slope = -Qd/R ln D 1/T
  • 14. Chapter 5 - 14 Diffusion and Temperature D has exponential dependence on T Dinterstitial >> Dsubstitutional C in α-Fe C in γ-Fe Al in Al Fe in α-Fe Fe in γ-Fe 1000K/T D (m2 /s) C in α-Fe C in γ-Fe Alin Al Fe in α-Fe Feinγ-Fe 0.5 1.0 1.5 10-20 10-14 10-8 T(°C) 1500 1000 600 300
  • 15. Chapter 5 - 15       −=      −= 1 01 2 02 1 lnlnand 1 lnln TR Q DD TR Q DD dd       −−==−∴ 121 2 12 11 lnlnln TTR Q D D DD d transform data D Temp = T ln D 1/T Example: At 300ºC the diffusion coefficient and activation energy for Cu in Si are D(300ºC) = 7.8 x 10-11 m2 /s Qd = 41.5 kJ/mol What is the diffusion coefficient at 350ºC?
  • 16. Chapter 5 - 16 Example (cont.)             − − = − K573 1 K623 1 K-J/mol314.8 J/mol500,41 exp/s)m10x8.7( 211 2D             −−= 12 12 11 exp TTR Q DD d T1 = 273 + 300 = 573K T2 = 273 + 350 = 623K D2 = 15.7 x 10-11 m2 /s
  • 17. Chapter 5 - 17 Non-steady State Diffusion Optional • The concentration of diffusing species is a function of both time and position C = C(x,t) • In this case Fick’s Second Law is used 2 2 x C D t C ∂ ∂ = ∂ ∂Fick’s Second Law I.C. at t = 0, C = Co for 0 ≤ x ≤ ∞ B.C. at t > 0, C = CS for x = 0 (const. surf. conc.) C = Co for x = ∞ For solving: we need boundary and initial conditions
  • 18. Chapter 5 - 18 Solution of Partial Differential Equation C(x,t) = Conc. at point x at time t erf (z) = error function erf(z) values are given in Table 5.1 CS Co C(x,t) ( )       −= − − Dt x CC Ct,xC os o 2 erf1 dye y z 2 0 2 − ∫π =
  • 19. Chapter 5 - 19 Diffusion FASTER for... • open crystal structures • materials w/secondary bonding • smaller diffusing atoms • lower density materials Diffusion SLOWER for... • close-packed structures • materials w/covalent bonding • larger diffusing atoms • higher density materials Summary

Editor's Notes

  1. Diffusion mechanism depends on material
  2. this is essentially mechanism in amorphous materials such as polymer membranes
  3. In the non-steady state the concentration profile develops with time.