专利名称：一种测量薄层熔体中扩散输运系数的扩散单元及制作方法
技术领域：
本发明属于凝聚态物质领域，特别是涉及扩散输运性质领域。
合适的扩散单元是获得纯扩散输运系数数据测量的基本保证。对于体熔体(扩散物质的体积的三个方向都在毫米尺度以上)中的扩散系数测量，国际上已有多种测量方法及相应的扩散单元，如毛细管-源法、剪切胞法、同位素示踪-毛细管法、电化学方法、毛细管-电阻法、核磁共振、非弹性中子散射等。尽管这些方法还有许多不尽人意之处，如难以消除对流效应对扩散过程的影响，因而没有一个较通用的测量方法被接受，但多年来人们一直在寻求能排除各种干扰熔体纯扩散过程的有效实验研究方法来测量体熔体中的扩散系数且有一定进展，但有许多问题有待进一步研究解决。此外，这些方法不能用来研究微观区域(纳米到微米尺度)中的扩散问题，例如，共晶生长中的层或片间的扩散，枝晶生长中的枝晶间或臂间的扩散。到目前为止，还没有一个合适的用于测量薄层熔体中扩散输运系数以及研究微观区域熔体中的扩散输运问题的方法(文献1依德，T.,格斯雷，R.I.L.,著，《液态金属的物理性能》，英国牛津克拉恩德出版社出版，1988，第199到206页；文献2纳西崔伯，N.H.,液态金属和合金中的原子输运特性，Berichte derBunsen-Gesellschaft，第80卷，第8期，1976年，第678页；文献3马密加克，Y.,弗罗伯格，G.,著，瓦尔特主编，《空间材料科学和流体科学》，德国斯普林-福莱格出版社，1988年版，第159到190页)。
本发明的目的是提供一种用掩膜法制作用于测量薄层熔体中扩散输运系数的扩散单元结构。按该结构制作的扩散单元能抑制表面张力对流和重力对流对熔体扩散过程的影响，可测量从纳米到毫米尺度的薄层熔体中扩散输运系数，研究其扩散机制。
本发明的目的是这样实现的扩散单元由衬底1、两种扩散物质A(3)和B(4)、内保护层2和外保护层5构成；由两种扩散物质A和B组成的扩散层被包裹在内外保护层2和5之间；A和B两种扩散物质通过直接接触实现对接进行扩散；扩散层熔体物质A和B包括金属、合金、非金属材料或玻璃；内外保护层材料2和5可以是用衬底材料本身或其它不与扩散层物质(A和B)在扩散的温度下相反应的材料，内外保护层在互扩散层3和4的端面的其余位置完全结合成为一个整体。
其中衬底1包括金属、半导体、石英、玻璃、陶瓷材料；内保护层2包括金属、半导体、石英、玻璃、陶瓷材料；外保护层5包括金属、半导体、石英、玻璃、陶瓷材料；扩散物质A(3)是金属、合金、非金属材料或玻璃；扩散物质B(4)是金属、合金、非金属材料或玻璃；扩散物质A+B组成扩散偶本发明的扩散单元结构的制作方法如下1，用已知的制膜设备及方法(如蒸镀法、溅射法或等离子体喷镀法等)在衬底1上选镀上一层均匀的内保护层2，其厚度为10纳米到1毫米；2，用掩膜板将已镀内保护层2的其它区域掩盖起来，而仅留下一块待镀扩散层区域3。接着将扩散层物质A镀到未掩区域3上；3，用掩膜板将区域3及其它地方掩盖起来，而仅留下一块待镀扩散层4的区域，接着将扩散层物质B镀到区域4上；4，将掩膜板去掉，在整个已镀内保护层2、互扩散层3和4的衬底1的整个膜面区上镀上一层外保护层5。
扩散层物质A和B是成份不同的金属、合金、非金属材料或玻璃。
内外保护层的目的是防止扩散层的物质A和B在熔化之后的汽化挥发，抑制表面张力对流。内外保护层在扩散层物质A和B的端面的其余位置完全结合为一个整体，防止熔体从端面汽化及上下保护层的相对滑动。
保护层材料不与扩散层物质A和B在扩散的温度下参与反应或者说不能互溶，与衬底材料1在高温(扩散温度)亦无明显的固态反应。然而，对一些扩散体系衬底材料本身也可用作内外层保护材料，此时可省去内保护层。内外保护层材料的熔化温度需高于扩散层物质。
衬底材料可以用晶体硅、锗、金属、玻璃、石英或陶瓷，但不应与保护膜用材料有明显的热膨胀差别。扩散层物质A和B要有适当的重叠区以确保熔化后的接触和扩散。掩膜板的精确定位是确保此重叠区大小的关键。
在进行扩散实验时，扩散单元水平放入炉中，以防止可能的重力对流的影响。扩散单元放在均热块上并与均热块有良好的接触以使互扩散在均匀的温场中进行。
本发明的扩散单元可有效抑制表面张力对流和重力对流对熔体扩散过程的影响，既可以用来测量厚度从纳米到毫米的薄膜熔体中组元的杂质扩散、互扩散输运系数，也可以用来测量或推算三维熔体中组元的扩散输运系数，研究界面对扩散过程的影响，还可以用来研究扩散系数与体系维数的关系。
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明
图1是本发明的用掩膜方法制作的扩散单元结构图，图2是本发明的对In-Bi二元系熔体在不同温度下互扩散测量结果图。
其中A和B是扩散物质；1是衬底；2是内保护层；3和4是扩散层；5是外保护层。
本例中衬底1的材料还可以改用石英、耐热玻璃、陶瓷或云母。
实施例2用电子束蒸发薄膜制备方法掩膜制备用于测量Sn和Bi互扩散的扩散单元石英/Mo/Sn-Bi/Mo结构的扩散单元。其中衬底1是石英片，内外保护层2和5都是Mo，扩散层3和4分别为Sn和Bi。
本例中的内外保护层2和5还可以是陶瓷、高熔点金属Mo、Ta、W等、石英、耐热玻璃，也可不再镀内保护层2。
实施例3用射频溅射薄膜制备方法掩膜制备用于测量In和Bi互扩散的扩散单元石英/(70wt％In+30wt％Bi)-(75wt％In+25wt％Bi)/Mo结构的扩散单元。其中衬底1是石英片，无内保护层2，外保护层5是Mo，扩散层3和4分别为70wt％In+30wt％Bi和75wt％In+25wt％Bi的合金。
本例中的外保护层5还可以是陶瓷、高熔点金属Mo、Ta、W等、石英、耐热玻璃。
实施例4用离子溅射薄膜制备方法掩膜制备用于测量溶质Bi在In中的扩散系数的扩散单元Si/Mo/(95％In+5％Bi)-In/Mo结构的扩散单元。其中衬底1是单晶Si片，内外保护层2和5都是Mo，扩散层3和4分别为95％In+5％Bi的合金和纯In。
本例中扩散层3和4还可以分别是为纯金属Sn、Bi、Pb、和Pb-Bi、In-Ga、Sn-Pb合金等。
权利要求
1.一种测量薄层熔体中扩散输运系数的扩散单元，其特征在于扩散单元由衬底(1)、扩散层(3)和(4)、内保护层(2)和外保护层(5)构成；由两种不同扩散物质A和B组成的扩散层被包裹在内外保护层之间；A和B两种扩散物质直接接触；内外保护层在互扩散层(3)和(4)的端面的其余位置完全结合成为一个整体。
2.按权利要求1所述的测量薄层熔体中扩散输运系数的扩散单元，其特征在于其中衬底(1)可以是不与保护层材料有明显的热膨胀差别的金属、半导体、石英、玻璃或陶瓷材料。
3.按权利要求1所述的测量薄层熔体中扩散输运系数的扩散单元，其特征在于其中扩散层物质A(3)和B(4)组成扩散偶，它们可以是由不同的金属、合金、非金属材料或玻璃组成；扩散层物质A和B需有适当的重叠区。
4.按权利要求1所述的测量薄层熔体中扩散输运系数的扩散单元，其特征在于其中的内外保护层材料(2)和(5)是衬底材料或与衬底材料在扩散温度无固液反应的金属、半导体、石英、玻璃、陶瓷材料；它们不与扩散层物质在扩散的温度下反应；它们的熔化温度高于扩散层物质。
5.按权利要求1所述的测量薄层熔体中扩散输运系数的扩散单元，其特征在于其中的内保护层也可以省去。
6.一种制作权利要求1的方法，其特征在于包括以下步骤(1)用已知的制膜设备及方法在衬底(1)上选镀上一层均匀的内保护层(2)，其厚度为10纳米到1毫米；(2)用掩膜板将已镀内保护层(2)的其它区域掩盖起来，仅留下一块待镀扩散层区域(3)，将扩散层物质A镀到未掩区域(3)上；(3)用掩膜板将区域(3)及其它地方掩盖起来，仅留下一块待镀扩散层(4)的区域，接着将扩散层物质B镀到区域(4)上；(4)将掩膜板去掉，在整个已镀内保护层(2)、互扩散层(3)和(4)的衬底(1)的整个膜面区上镀上一层外保护层(5)。
7.按权利要求6所述的制作权利要求1的方法，其特征在于所用的制膜方法可以是电子束蒸镀法、溅射法或等离子体喷镀法。
全文摘要
本发明涉及扩散输运性质领域。通过掩膜法,即用已知的镀膜方法在两种不同的扩散物质上下按一定的规范选镀内外保护层,获得用于测量薄层熔体中扩散输运系数的扩散单元结构。本发明的扩散单元能有效抑制表面张力对流和重力对流对熔体扩散过程的影响,它可测量厚度从纳米到毫米尺度的薄膜熔体中扩散输运系数,研究界面对扩散过程的影响,还可研究扩散系数与体系维数的关系。
文档编号G01N13/00GK1299047SQ9912559
公开日2001年6月13日 申请日期1999年12月6日 优先权日1999年12月6日
发明者潘明祥, 汪卫华, 张明, 赵德乾, 李顺朴 申请人:中国科学院物理研究所