Resume Pengantar Material - Difusi

5. DIFUSI 5.1. PENGERTIAN DIFUSI

DIFUSI itu merupakan fenomena pergerakan material akibat gerakan dari atom. Fenomena ini digambarkan dengan mendekatkan 2 buah batang logam (contohnya : nikel dan tembaga) sehingga keduanya bersentuhan secara langsung tanpa ada jarak. Kemudian kedua logam ini dipanaskan selama beberapa waktu dengan suhu yang terus meningkat tetapi tetap dibawah suhu leleh dari kedua logam dan kemudian didinginkan pada suhu ruangan. Analisis kimia akan memperlihatkan hasil bahwa ada daerah yang merupakan murni logam tersebut dan dipisahkan dengan daerah alloy (padanan logam) antara keduanya. Hal ini akibat adanya migrasi atau difusi atom diantara diantar a keduanya. Atom nikel berdifusi ke  bagian tembaga dan begitu juga sebaliknya. Proses ini disebut sebagai INTERDIFUSI atau DIFUSI TIDAK MURNI.

Interdifusi mungkin dapat diketahui dari perspektif makro dengan  perubahan konsentrasi tehadap waktu. Difusi juga dapat terjadi pada logam murni tetapi semua atomnya yang berubah posisi bertipe sama yang disebut sebagai DIFUSI DIRI.

5.2. MEKANISME DIFUSI

Sebelumnya difusi hanya dipandang seperti perpindahan atom dari satu tempat ke tempat lain. Kenyataannya, atom di material padat itu bergerak secara konstan dan berpindah-pindah posisi. Untuk bergerak seperti itu ada 2 kondisi yaitu 1. Harus ada daerah yang bisa diisi atom tersebut dan 2. Atom harus punya cukup energi untuk melepaskan ikatan dengan atom tetangganya . DIFUSI KEKOSONGAN Difusi ini tejadi akibat pergerakan atom dari tempat asalnya ke tempat yang mengalami kekosongan. Jadi atom bergerak pada suatu arah tertentu dan kekosongannya akan bergerak kearah sebaliknya. Difusi diri dan interdifusi menggunakan mekanisme ini. Yang selanjutnya atom tak murni menggantikan  banyak atom lainnya.

DIFUSI SISIPAN Difusi ini akibat migrasi atom dari posisi yang menyisip ke tetangganya yang kosong. Mekanisme ini dapat ditemukan di interdifusi tak murni seperti hidrogen,oksigen dll yang memiliki bentuk atom yang cukup kecil sehingga bisa menempati daerah yang menyisip diantara atom-atom lainnya. Di banyak padanan logam difusi sisipan ini terjadi lebih cepat dibandingkan difusi kekosongan akibat dari ukuran atom yang lebih kecil sehingga lebih mudah bergerak. Dan juga ruang kosong yang menyisip atom lainnya lebih banyak dibandingkan tempat kosong  pada difusi kekosongan sehingga kemungkinannya semakin besar.

5.3. DIFUSI ARUS TUNAK

Untuk mengetahui seberapa cepat difusi yang terjadi disebut FLUKS DIFUSI ( J ).

 J  

 M  

 At 

Dengan :

1 dM  

 A

dt 

J = fluks difusi (kg/m2s atau atoms/ m2s) M = massa atau jumlah atom (kg atau atom) A = luas daerah terjadinya difusi (m2)

Jika J tidak berubah dengan waktu maka kondisi aliran tunak terpenuhi. Contohnya adalah difusi dari sebuah atom yang melewati sebuah pelat yang konsentrasinya atau jaraknya untuk spesies difusi nya pada 2 buah permukaan  pelat adalah konstan. Saat dibuat grafik konsentrasi C terhadap posisi atau jarak maka hasil kurvanya disebut sebagai profil konsentrasi dan kemiringan pada tiap titik disebut sebagai gradien konsentrasi. Konsentrasi gradien

 

Secara matematis dari difusi aliran tunak untuk 1 arah adalah fluks difusi yang proporsional terhadap gradien konsentrasi nya atau biasa disebut hukum fick pertama

     Dengan D adalah koefisien difusi (m 2/s). Tanda negatif menyatakan bahwa arah dari difusi itu dari konsentrasi yang tinggi ke konsentrasi yang rendah. 5.4. DIFUSI NON TUNAK

Banyak situasi difusi di kehidupan sehari-hari merupakan difusi dengan aliran yang tak tunak. Dimana difusi yang tejadi berbeda-beda untuk tiap waktunya. Persamaannya biasa dikenal dengan hukum fick kedua yaitu :

   ( )    Jika koefisien difusinya independen maka dapat disederhanakan menjadi

     

5.5. FAKTOR-FAKTOR YANG MEMPENGARUHI DIFUSI

1. jenis yang berdifusi.

Tiap benda yang melakukan difusi jelas akan berbeda koefisien difusi (D) nya. Contohnya pada 500 0C untuk besi α nilai D adalah 3 X 10 -21 m 2/s dan untuk karbon adalah 2,4 x 10 -12 m2/s. 2. Temperatur. Temperatur memiliki pengaruh yang paling besar pada koefisien difusi. Contohnya pada besi α. Saat temperatur 5000C koefisien difusinya 3 X 10 -21 m 2/s sedangkan saat 900 0C koefisiennya bertambah menjadi 1,8 X 10 -15 m2/s. Secara matematis hubungannya adalah

     Dimana D0 = koefisien difusi pre-exponential (m 2/s) Qd = energi aktivasi untuk difusi (j/mol atau eV/atom) R = konstanta gas 8,31 J/mol K T = temperatur absolut (K) Energi aktivasi dapat dinyatakan sebagai energi yang dibutuhkan untuk memproduksi gerakan difusi pada 1 mol atom. atau dapat ditulis juga sebagai.

    Atau

   

Karena D0, Qd, R konstan maka persamaan diatas dapat dianggap sebagai  persamaan garis lurus yaitu :

 Dimana y dan x dianalogikan sebagai variabe log D dan 1/T. Sehingga jika diplotkan maka akan terbentuk garis lurus.

5.6. DIFUSI PADA SEMIKONDUKTOR

Salah satu aplikasi dari teori difusi zat padat adalah pembuatan integrated circuit atau IC. IC sangat tipis dengan orde milimeter. Walaupun demikian didalamnya terdiri atas beragam perangkat elektronik. Kristal silikon tunggal menjadi material dasar untuk banyak IC. Salah satu cara membuat IC adalah dengan memanfaatkan difusi atom. Biasanya 2 cara pemanasan digunakan pada proses ini. Pertama tahap  predeposition atau predeposisi. Atom yang tidak murni di difusi kedalam silikon. Seringkali dalam fase gas. Tekanan sebagian dijaga agar konstan. Jadi komposisi  permukaan yang tidak murni juga tetap konstan. Sehingga konsentrasi ketidakmurnian tehadap silikon adalah fungsi dari posisi terhadap waktu. Proses ini biasanya dilakukan pada temperatur 900 0C sampai 1000 0C selama kurang dari 1 jam. Cara selanjutnya biasanya disebut drive-in diffusion. Untuk transport atom tidak murni terhadap silikon untuk menyediakan distribusi konsentrasi yang cocok tanpa kenaikan konten. Cara ini biasa menggunakan pada temperatur yang lebih tinggi dibandingkan cara yang pertama yaitu lebih darin 1200

0

C. Juga pada

suasana oksidasi akar tercipta lapisan oksida di permukaannya dan menjadi SiO 2.

Kecepatan difusi di lapisan ini sangat lambat. Karena sangat sedikit atom yang tidak murni yang bisa keluar dari silikon.

Jika kita asumsikan ketidakmurnian atom ada pada saat proses predeposisi di lapisan silikon yang sangat tipis sehingga solusi untuk hukum Fick kedua adalah

      √    Dimana Q0  merepresentasikan jumlah total ketidakmurnian pada bahan padat yang ada pada proses predeposisi (jumlah atom tidak murni per luas).yang dapat ditunjukkan dengan

    Dimana: Cs = konsentrasi permukaan untuk proses predeposisi yang konstan D p =koefisien difusi T p = waktu proses predeposisi

Parameter difusi lain yang penting adalah kedalaman sambungan (  junction

depth

)

x j

yang

menyatakan

kedalaman

dimana

konsentrasi

ketidakmurnian yang bernilai sama dengan konsentrasi latar pada silikon yang tidak murni (CB) pada proses drive-in . Persamaannya adalah

  * +