Кіріспе

Киркендалл эффектісі – екі металл арасындағы интерфейстің қозғалысы, ол металл атомдарының диффузия жылдамдықтарының айырмашылығына байланысты туындайды. Бұл эффектіні, мысалы, таза металл мен осы металлдан құралған қорытпа арасындағы интерфейске ерімейтін маркерлерді орналастырып, берілген уақыт аралығында атомдық диффузияға мүмкіндік беретін температураға дейін қыздыру арқылы байқауға болады; шекара маркерлерге қатысты жылжиды. Бұл құбылыс 1941-1946 жылдары Уэйн мемлекеттік университетінде химиялық инженерияның доценті болған Эрнест Киркендаллдың (1914–2005) есімімен аталады. Эффекттің ашылуын сипаттаған мақала 1947 жылы жарияланды. Киркендалл эффектісінің маңызды практикалық салдары бар. Олардың бірі – әртүрлі қорытпаларды металлмен байланыстыру кезінде интерфейсте пайда болатын бос кеңістіктердің (voids) алдын алу немесе жою. Бұл бос кеңістіктер Киркендалл қуыстары деп аталады.

Тарих

Киркендалл эффектісі 1947 жылы Эрнест Киркендалл мен Элис Смигельскас мыс қорытпаларындағы диффузияны зерттеу барысында ашылды. Ол белгілі эффектті сипаттаған мақала – мыс қорытпаларындағы диффузия бойынша жарияланған жұмыстардың үшіншісі, ал біріншісі – оның диссертациясы болды. Оның екінші мақаласында мырыш, альфа-мыста мыстан тезірек диффузияланатыны көрсетілді, бұл оның революциялық теориясын жасауға әкелді. Осыған дейін диффузиялық қозғалысқа қатысты басым идеялар – орын алмастыру және сақина тәсілдері еді. Киркендаллдың тәжірибесі бос орынды диффузия механизмін дәлелдеді, бұл механизм бүгінгі күнге дейін қабылданған. Мақала ұсынылған кезде Роберт Франклин Мель, Карнеги технология институтының (қазір Карнеги Меллон университеті) Металл зерттеу зертханасының директоры, оны жариялаудан бас тартты. Мель Киркендаллдың осы жаңа диффузия механизміне қатысты дәлелдерін қабылдаудан бас тартты және алты айдан астам уақыт бойы жариялауға рұқсат бермеді, тек конференция өткізілгеннен кейін және басқа бірнеше зерттеушілер Киркендаллдың нәтижелерін растағаннан кейін ғана ол өз шешімін өзгертті. Мұндай механизм екі түрлі материалдың интерфейс арқылы атомдық ағындары тең болуын білдіреді, себебі интерфейс арқылы қозғалған әрбір атом, екінші атомның қарсы бағытта қозғалуына себеп болады. Тағы бір мүмкін диффузия механизмі – кристалдық тордағы бос орындарға байланысты. Атом бос орынға кіріп, тиімді түрде атом мен бос орынның орнын ауыстыруы мүмкін. Егер материалда кең ауқымды диффузия жүрсе, бір бағытта атомдардың ағыны, ал екінші бағытта бос орындардың ағыны болады. Киркендалл эффектісі екі түрлі материал бір-біріне жақын орналасқанда және олардың арасында диффузияға рұқсат етілгенде пайда болады. Әдетте, екі материалдың бір-біріндегі диффузия коэффициенттері бірдей болмайды. Бұл тек бос орын механизмі арқылы диффузия болған жағдайда ғана мүмкін; егер атомдар орын алмастыру механизмі арқылы диффузияланса, олар интерфейсті жұптармен кесіп өтетін болады, сондықтан диффузия жылдамдықтары бірдей болар еді, бұл байқауларға қайшы келеді. Фиктің бірінші диффузия заңы бойынша, жоғары диффузиялық коэффициенті бар материалдан атомдардың ағыны үлкен болады, сондықтан жоғары диффузиялық коэффициенті бар материалдан төмен диффузиялық коэффициенті бар материалға атомдардың таза ағыны болады. Бұл атомдар ағынын теңестіру үшін төмен диффузиялық коэффициенті бар материалдан жоғары диффузиялық коэффициенті бар материалға қарама-қарсы бағытта бос орындардың ағыны болады, нәтижесінде тордың ортамен салыстырғанда төмен диффузия тұрақтысы бар материал бағытында жалпы ауысуы жүреді. Мұндағы және – екі материалдың диффузия коэффициенттері, ал – атомдық үлес. Бұл теңдеудің бір салдары – интерфейстің қозғалысы уақыттың квадрат түбірімен сызықты түрде өзгереді, бұл Смигельскас пен Киркендалл ашқан тәжірибелік қатынасқа сәйкес келеді. Металдардағы тесіктердің механикалық, жылулық және электрлік қасиеттерге әсері бар, сондықтан олардың пайда болуын бақылау маңызды. теңдеуі, мұндағы – маркердің қозғалған қашықтығы, – материалдардың ішкі диффузиясымен анықталатын коэффициент, ал – компоненттер арасындағы концентрация айырмашылығы, Киркендалл кедір-бұдырлығын азайтудың тиімді моделі болып табылды. Ақталу температурасын бақылау – кедір-бұдырлықты азайту немесе жоюдың тағы бір тәсілі. Киркендалл кедір-бұдырлығы жүйеде белгілі бір температурада пайда болады, сондықтан тесіктердің пайда болуын болдырмау үшін төмен температурада ұзақ уақыт бойы ақталу жүргізуге болады.

Мысалдар

1972 жылы RCA корпорациясының C. W. Horsting жартылай өткізгіш құрылғыларының сенімділігін зерттеген мақала жариялады, онда қосылыстар алтын жалатылған тіреулерге ультрадыбыстық әдіспен біріктірілген алюминий сымдар арқылы жасалған. Оның еңбегі сымды біріктіру технологиясында Киркендалл эффектісінің маңыздылығын көрсетті, сонымен қатар сымдардың біріктірілу кезіндегі тұнбаның жылдамдығына кез келген қоспалардың қосқан үлесін анықтады. Осы әсерге ие екі маңызды ластанушы зат – фтор және хлор. Киркендалл қуыстары мен Хорстинг қуыстары сымды біріктірудің үзілуіне себеп болатын мәлім факторлар, бірақ тарихи тұрғыдан бұл себеп көбінесе бес түрлі алтын-алюминий металдар аралық қосылысының біреуінің күлгін түсті түрімен шатастырылады, бұл көбінесе "күлгін індет" деп, ал сирек жағдайда "ақ індет" деп аталады.