[科普中国]-杂质扩散激活能

扩散激活能（Diffusion activation energy）是指杂质原子或者母体原子在固体（包括半导体）中扩散的激活能。

简介固体中原子的扩散与温度有很大的关系，即扩散系数D与温度T之间存在指数函数关系：D=Do exp(－Ea/kT)，其中Ea就是原子扩散的激活能。随着温度的升高，扩散系数急剧增大；扩散激活能越大，扩散系数越小。

由于固体中原子的扩散需要通过空位或者间隙原子这些所谓热缺陷的产生来实现，所以扩散的激活能在本质上也就是形成热缺陷所需要的能量。

一般，扩散激活能都比较高，即扩散比较困难，并从而固体中原子的扩散通常需要在较高的温度下才能进行。只有那些半径较小的原子，在固体中是通过晶格间隙来扩散的，才具有较小的激活能（例如Au原子在Si中的扩散）。

扩散激活能的物理意义是原子跃迁过程中必须克服周围原子对其的阻碍，即必须克服势垒扩散激活能的物理意义是原子跃迁过程中必须克服周围原子对其的阻碍，即必须克服势垒。

激活能激活能就是使晶体原子离开平衡位置迁移到另一个新的平衡或非平衡位置所需要的能量。

亦称为“活化能”。为了开始某一物理化学过程 (例如塑性流动、原子扩散、化学反应、形成空位等) 所需要克服的能量。此能量可以由体系本身具有的能量起伏提供，也可由外界提供。激活能越小，则该过程就越容易进行。

激活能是晶体中晶格点阵上的原子运动到另一点阵或间隙位置时所需的能量，是反映温度应力对产品寿命影响的一种指标。对物质而言，它从正常的未失效状态向失效状态转换的过程中存在着势垒。这就是激活能。激活能越小，失效的物理过程越容易进行。激活能越大，加速系数越大，越容易被加速而失效。

扩散激活能原子产生振动跃迁的两个原因是：激活能和缺陷集中。

激活能产生原因：原子从一个平衡位置跃迁到另一个平衡位置时，其相邻的其他原子必须被挤压短暂的离开平衡位置，所以需要激活能。

克服能垒所必须的额外能量才能实现原子从一个平衡位置到另一个平衡位置的基本跃迁，这部分能量称为扩散激活能。

扩散激活能用Q来表示，对于间隙扩散，Q表示每mol间隙原子跳跃时需越过的势垒，对空位扩散，Q表示阿伏伽德罗常数个空位形成能加上每mol原子向空位跳跃时需越过的势垒。

相关研究由于轻量化和节能的要求，镁合金在汽车和航空航天工业中越来越受到人们的关注。在镁合金的凝固、热处理和沉淀析出过程中的组织演变与扩散息息相关，另外扩散对镁合金的其他宏观性能也起重要的作用，如塑性变形、铸造性能、高温强度和抗蠕变性能。因此，需要准确的扩散数据来指导镁合金的加工制备过程1。

将金属视为一各向同性的、无限大的、均匀的连续弹性介质，利用弹性偶极子的概念，计算了在体心立方金属Fe，W，Mo，Ta，Nb中，间隙杂质原子C，N，O，H在四面体及八面体位置上的位置能。

计算结果表明,除了H在W，Mo，Ta，Nb中是占据四面体位置外，其余的情况都是占据八面体位置，并求得了判定间隙原子是处在四面体抑八面体位置的临界半径。后一部分计算了间隙原子在八面体位置间扩散的激活能。所得的结论都与前人的实验结果较好地接近2。

本词条内容贡献者为:

李晓林 - 教授 - 西南大学