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  • Transitions of electrons an...
    Hoffmann, H.‐J.

    Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, December 2020, Letnik: 51, Številka: 12
    Journal Article

    Diffusion of atoms or molecules (generally: particles) is driven by differences and gradients of the chemical potential of the particles in their accessible space. If the difference of the chemical potential is due to differences of concentrations alone, one arrives at the diffusion equations of Fick. The diffusion coefficients are described in known models by vibrations of atoms in condensed matter which cause the exchange of preferentially neutral particles with neighbouring particles, impurities, interstitial places and vacancies near or on surfaces, grain boundaries, dislocation lines and in the homogeneous bulk. The rates of electronic transitions, however, increase also in melts and solids of chemically bonded particles with increasing temperature. Such transitions cause large fluctuating deviations of the local energy, the charge distribution and the local chemical and electrical potentials. The fluctuating deviations interact with the core ions and drive particles to interchange. This mechanism that supplements the known mechanisms of diffusion has not yet found adequate attention in the literature until now. Foundations, experimental results, evidence and consequences for diffusion are discussed. Translation Die Diffusion von Atomen oder Molekülen (allgemein: Teilchen) hat ihre Triebkraft infolge von Unterschieden und Gradienten des chemischen Potenzials der Teilchen in ihrem zugänglichen Raum. Wenn der Potenzialunterschied allein von Konzentrationsunterschieden herrührt, gelangt man zu den bekannten Diffusionsgleichungen nach Fick. Um die Diffusionskoeffizienten auf atomare Bewegungen in kondensierter Materie zurückzuführen, wurden in bisher bekannten Modellen Platzwechselvorgänge zumeist neutraler Teilchen mit Nachbarteilchen, Verunreinigungen, Zwischengitterplätzen, Leerstellen an Oberflächen, Korngrenzen, Versetzungen und im homogenen Volumen betrachtet. Es ist bekannt, dass in Schmelzen und Festkörpern mit chemischen Bindungen mit zunehmender Temperatur elektronische Übergänge auftreten, wodurch fluktuierende Abweichungen in der Ladungsverteilung und den lokalen chemischen und elektrischen Potenzialen entstehen. Diese Abweichungen üben Kräfte auf die Position der Rumpf‐Ionen aus und machen daher ebenfalls Platzwechsel von Teilchen möglich. Dieser ergänzende Mechanismus für die Diffusion wurde bisher in der Literatur nicht hinreichend beachtet. Grundlagen, experimentelle Ergebnisse, Hinweise und Folgerungen für den Diffusionsvorgang werden aufgezeigt und diskutiert. The fluctuating occupancy of bosonic (phonon or vibrational) states is often considered to drive self‐diffusion of atoms in solids and melts without additional external driving forces. Several experimental observations and their interpretation produce evidence, however, that the concomitant fluctuating occupancy of fermionic states (electrons and holes) and their transitions drive self‐diffusion as well.