2. Активационная модель протекания элементарных физико-химических процессов

Все элементарные физико-химические процессы, лежащие в основе технологии создания изделий (микро- и наноразмерных структур) и их последующей деградации в процессе эксплуатации, имеют активационный характер. Последнее означает, что для реализации этих процессов, атомам (молекулам) изначально необходимо обладать энергией более некоторого определенного порогового значения (характерного для рассматриваемого процесса), называемого энергией активации процесса – W_а. Именно этим обстоятельством обусловлена определенная устойчивость технических объектов к внешним возмущающим факторам и технологические трудности создания изделий на этапах их производства.

Диапазон вариаций типичных значений энергий активации W_а для ряда (распространенных в технологической практике) элементарных физико-химических процессов приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Характерные значения энергии активации

для ряда элементарных физико-химических процессов.

№ п/п	Наименование элементарного физико-химического процесса.	Энергия активации процесса. Wа, ( эВ ).
		Min.	Max.
1	Адсорбция (физическая)	0.005	0.01
2	Хемосорбция	0.05	3.0
3	Диффузия (поверхностная)	0.5	2.0
4	Диффузия (объемная )	1.0	3.0
5	Ионизация атомов	1.5	28
6	Химический процесс	1.0	5.0
7	Образование атомных вакансий в кристаллах	2.5	4.0
8	Перемещение атома в междоузлие кристалла	2.0	5.0

(Поскольку в ряде справочников значение энергии активации W_а приводится в единицах Ккал / моль, в рамках выполнения контрольных заданий, приведенных в настоящем пособии, следует произвести перевод единиц измерения согласно равенству : 1 эВ = 23 Ккал / моль.)

Необходимо отметить, что приведенные в справочниках значения энергии активации W_а относятся к индивидуальным процессам как таковым, в то время как на практике зачастую имеет место параллельное (комплексное) протекание сразу нескольких индивидуальных процессов. В этом случае в качестве энергии активации принято рассматривать некоторое эффективное значение энергии активации процесса W_а, в котором интегрально нашли свое проявление все индивидуальные физико-химические процессы.

3. Методика определение концентрации энергетически активных микрочастиц

Согласно вышеизложенной активационной модели протекания индивидуальных физико-химических процессов следует, что в указанном процессе могут принимать участие только те микрочастицы, энергия которых превышает некоторое пороговое значение (энергия активации) - W_а. В первом приближении можно принять, что скорость (интенсивность) протекания индивидуальных физико-химических процессов будет пропорциональна концентрации таких высокоэнергетических (активных) частиц – N_а. Для определения концентрации энергетически активных микрочастиц N_а проинтегрируем выражение (3):

(3)

Для упрощения операции интегрирования учтем то обстоятельство, что в практическом плане интересен случай, когда выполняется условие W_а  k T, т.е. существенным является только фрагмент - exp (W / k T ):

		(4)
где  - некоторая нормировочная постоянная.

В результате интегрирования выражения (4) для концентрации энергетически активных микрочастиц имеем:

		(5)
где : N0 - полная концентрация микрочастиц в рассматриваемой системе.

Графическая интерпретация концентрации активных частиц - N_а представлена на рисунке 2 в виде заштрихованного энергетического участка.

Рисунок 2. Определение количества активных частиц

с помощью статистики распределения частиц по энергии.

Согласно рисунку 3.5 следует, что концентрация активных частиц N_а (ей соответствует площадь заштрихованного участка на рисунке 2):

• монотонно уменьшается с увеличением значения энергии активации W_а рассматриваемого физико-химического процесса;

• монотонно увеличивается с повышением температуры Т ансамбля микрочастиц в макроскопической системе.

Из вышеизложенного следует тот негативный факт, что неблагоприятные физико-химические процессы (даже с большими значениями энергии активации - W_а), приводящие к деградации элементов конструкций устройств, являются принципиально неустранимыми в эксплуатационной практике.