원자 공공과 확산

Vacancy mechanism에 의한 원자의 self diffusion

점결함의 역할 중에서 상당히 중요한 부분은 확산(diffusion)에 있다. 확산은 많은 원자의 이동에 의해 일어나게 되는데, 근처에 원자 공공이 있으면, 원자는 1개의 격자점에서 부터 다른 격자점에 이동하는 것이 가능하게 되고, 그림의 (a)→(b)→(c)와 같이 된다. 이 그림의 경우, 원자는 왼쪽에서 오른쪽으로 이동하지만, 공공의 관점에서 본다면 오른쪽에서 왼쪽으로 공공이 이동하는 것이 된다. 이와 같이 공공을 통해서 확산이 일어나는 기구를 vacancy mechanism이라고 한다. 여기에서 그림은 동종 원자의 self diffusion에 대한 경우를 가르키지만, 치환형 원자의 확산이나 합금원자의 상호확산 (interdiffusion)에 대해서도 vacancy mechanism에 의해 확산이 일어나는 경우가 많다.
그림에서 (b)의 과정에서는 이동하는 원자가 상하의 원자의 사이를 지나게 되면서 그 틈을 벌려야 하는 필요가 생기게 된다. 이를 위해서는 (d)와 같이 여분의 에너지가 필요하게 된다. 이 에너지를 원자 이동에 대한 활성화 에너지 (activation energy for atom migration) 혹은 이동 에너지 (migration energy)라고 한다. 금속에서는 대략 1eV 정도의 값을 가지게 된다.
활성화 에너지의 산을 넘기 위해서는 원자 진동 또는 격자 진동의 에너지를 이용한 열활성화 과정이 관여하게 된다. 이때 1초간에 활성화에너지의 산을 뛰어넘게 되는 빈도는 통계열역학에서의 볼츠만 인자에 비례하게 된다.

참고문헌
加藤雅治: "入門転位論", 裳華房 (1999)