Makroskopische Verfahren

Die üblichen Verfahren sind entweder Herstellung eines Diffusionspaares (doppelt unendlicher Halbraum) oder Aufbringen einer dünnen Schicht auf ein Trägermaterial (Dünnschichtlösung) und Vermessung des Diffusionsprofils. Dies kann entweder direkt (z.B. im Rasterelektronenmikroskop oder in der ähnlich aufgebauten Mikrosonde mit Analyse der charakteristischen Röntgenstrahlung (EDX, WDX) geschehen) oder durch ein geeignetes Schichtenteilungsverfahren.

Abbildung 5.12: Schichtenteilung durch Absputtern

Die Schichtenteilung kann mit einem Mikroton oder durch Absputtern (Beschuß mit energiereichen Ionen) erfolgen (Abb. (5.12)). Mit letzterer Methode kann auf ca. 1nm ein Diffusionsprofil vermessen werden. Die Konzentrationsanalyse kann dann auf verschiedene Arten erfolgen, entweder durch eine anschließende Analyse des Materials jeder Schicht (chemische Analyse, Augerspektroskopie,...), durch direkte Analyse der Art der abgetragenen Ionen (z.B. Sekundärionenmassenspektroskopie, kurz SIMS) oder durch Verwendung radioaktiver Tracerisotope und anschließende Messung der Radioaktivität jeder Schicht.

Eine dritte (zerstörungsfreie) Möglichkeit, Konzentrationsprofile mit hoher Genauigkeit zu bestimmen, ist die Rutherfordrückstreuung (RBS). Ionen hoher Energie werden auf die Probe geschossen und zu einem kleinen Teil rückgestreut. Die Energie der rückgestreuten Ionen hängt von zwei Größen ab, zum einen von der Art des rückstreuenden Atoms (je höher die Masse, desto geringer der Energieübertrag), zum andern vom Laufweg des Ions durch die Probe, also von der Tiefenlage des rückstreuenden Atoms. Beide Informationen aus der Energieverteilung der rückgestreuten Ionen zu extrahieren erfordert allerdings einigen numerischen Aufwand und meist zusätzliche Annahmen.

Abbildung: Festlegung der Matanoebene aus der Bedingung der Flächengleichheit

Aus dem so ermittelten Konzentrationsprofil wird dann der jeweils interessierende Diffusionskoeffizient durch Einsetzen in die passende Lösung der Diffusionsgleichung bestimmt. In Legierungen erhält man so aber nur den Interdiffusionskoeffizienten ; die partiellen Diffusionskoeffizienten ergeben sich dann daraus über die Darkenschen Gleichungen und den Kirkendalleffekt mit der sogenannten Boltzmann-Matano-Analyse. Zunächst wird der Ursprung $x_M$ des probenfesten Koordinatensystems, die sogenannte Matanoebene festgelegt durch die Bedingung (siehe Abb. (5.13)):

$$\int_{c_1}^{c_2} (x(c)-x_0)dc =0$$ (5.96)

Abbildung: Mit der Mikrosonde aufgenommenes Diffusionsprofil in der Legierung AgZn. Aufgetragen ist die Zn-Zählrate (Zn-Konzentration).

Diese Bedingung bedeutet, daß gleich viel Atome von links nach rechts wie von rechts nach links geströmt sind. Damit kann man die scheinbare Bewegung der Schweißebene durch den Kirkendalleffekt bestimmen und mittels der Darkengleichungen die einzelnen Diffusionskoeffizienten errechnen.

Ein wirkliches Interdiffusionsprofil, in dem sich auch mehrere intermetallische Phasen gebildet haben, zeigt Abbildung (5.14).