Tegyük fel, hogy egy vezetővezetéket (keresztmetszet 1 mm $ ^ 2 $ ) csatlakoztatok egy alumínium tárgy. Mivel az alumínium nagyon vezetőképes, az elektromosság zökkenőmentesen áramlik a tárgy belsejében, kis ellenállással. Mivel azonban az alumínium is nagyon reaktív, a tárgy felületén egy vékony réteg nagy ellenállású alumínium-oxid található. A Wikipédia szerint ez a réteg kb. 4 nm vastagságú ( erre a cikkre hivatkozva ). Naiv módon kiszámíthatjuk az oxidréteg ellenállását az alumínium-oxid ellenállásának felhasználásával, amely körülbelül $ 10 ^ {14} \, \ Omega \ cdot \ text {cm} $ :
$$ R = \ rho \ frac {l} {A} \ kb. 4 alkalommal 10 ^ 9 \, \ Omega $$
Természetesen nem mérünk ekkora ellenállást. De miért ne? Hogyan halad át pontosan egy elektromos áram az oxidréteg?
A nyilvánvaló válasz az, hogy az elektronok egyszerűen alagutaznak az oxidrétegen. Számítsuk ki tehát az alagút valószínűségét. az MIT OpenCourseWare ezen dokumentuma szerint az alumínium-oxid réteg 10 eV potenciális akadályt jelent. Ezután a 4 nm-es réteg átviteli együtthatóját a következő adja meg:
$$ T \ kb e ^ {- 2 \ left (\ sqrt {2 m_e / \ hbar ^ 2 \ cdot (10 \ text {eV})} \ right) (4 \ text {nm})} = 5.16 \ szor 10 ^ {- 57} $$
Ez az rendkívül kis számban. Elvileg az állapotok sűrűségéből és a Fermi-féle aranyszabályból most megtudhatnánk a tényleges sebességet, de valószínűnek tűnik, hogy az eredmény nagyon kicsi lesz.
Lehetséges, hogy azok a paraméterek, amelyek Lehet, hogy helytelen vagyok. Megnéztem néhány más forrást, és nagyon eltérő értékeket találtam a potenciális gát és oxid vastagság szempontjából. Az a tény azonban, hogy kissé eloxált, vastagabb oxidrétegű alumínium (például néhány tíz nm) még mindig áramot vezet, arra gondol, hogy az alagutazás nem teljes magyarázat, mivel az alagút sebessége az oxidréteg vastagságával exponenciálisan csökken.
Egy másik lehetséges magyarázat lehet az elektromos bontás vagy az oxidkristály szerkezetének valamilyen más változása, például olvadás. De ha ez a helyes válasz, mi változik pontosan az oxidrétegben, hogy elektromosan vezető legyen? Normális esetben az oxidok nem vezetőképesek, mert az oxigénatomok szabad elektronokat pergetnek. Valamilyen oknál fogva megszűnik ez?
Hajlandó vagyok elfogadni egy jó elméleti választ, de ha lehet, kísérleti bizonyítékokat remélek.
Megjegyzések
- Ha elég erős elektromos teret alkalmaz, akkor a szigetelő elektromos meghibásodás miatt elkezdi vezetni az áramot. Alumínium-oxid esetén a lebomló elektromos tér ~ 5 MV / cm (IEEE-TRANZAKCIÓK ELEKTRON-ESZKÖZÖKÖL, 47. évf., 1. SZ., 2000. JANUÁR), tehát úgy tűnik, hogy a 4 nm-es rétegben egy pár voltos potenciálkülönbségnek elegendőnek kell lennie csináld.
- @MaximUmansky Megértem az elektromos meghibásodás általános koncepcióját, de a vékony filmeknél gyakran a vártnál nagyobb a meghibásodás feszültsége. A lebontási térerősség még mindig csak néhány nm vastag film esetén alkalmazható?
- @MaximUmansky Ha még többet tud a témáról, akkor ‘ Szeretnék többet megtudni arról, hogy mi történik pontosan, ha egy oxidréteg lebomlik. Hogyan változik a kristályszerkezet, hogy az anyag elektromos áramot vezessen? Megfigyelhetjük-e a hatásokat mondjuk STM-mel?
- @Torondor Nem, nem vagyok az elektromos meghibásodás szakértője, csak gyorsan utánanéztem a számokon, és arra a következtetésre jutottam, hogy ez hihetőnek tűnik. 200 nm-es vékony alumínium-oxid filmek esetében az emberek 0,1 V / nm értéket adnak meg a bomlási mezőre vonatkozóan. Csak a guglizása rengeteg hivatkozást ad.
- A bontási hipotézis ellenőrzésének egyik módja az alumínium lemez IV görbéjének mérése. Egyértelmű ugrásnak és esetleg hiszterézisnek kell lennie. Nem gondolom, hogy ‘ sem a szokásos alumíniummal fordul elő, valószínűleg a bontási ötlet a teljes anyag.
Válasz
Úgy gondolom, hogy @Maxim Umansky helyes a megjegyzésében: az alumínium-oxid réteg bomlási potenciálja csak néhány volt (lásd például: 8. ábra a http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.877.5366&rep=rep1&type=pdf (J. Electrochem. Soc., Solid-state science and technology, 1976. október, 1479. o.). Rétegvastagsághoz kb. 4 nm esetén néhány voltos megszakítási feszültséget kapunk.
Válasz
Az alumíniumot bevonó natív oxid enyhén porózus , és a pórusok hajlamosak apró mennyiségű nedvességet megfogni bennük, ami elektrokémiailag aktívvá és valaha enyhén vezetőképessé teszi őket.(Valójában az alumínium-oxid réteg vastagságának növekedése forró környezetben megköveteli, hogy mind az alumínium atomok képesek diffundálni a meglévő oxidon keresztül, hogy elérjék az oxigént a légkörben, mind az oxigénatomok képesek diffundálni az oxidon keresztül érje el az reagálatlan alumíniumot az oxid alatt.)
Annak érdekében, hogy az oxidált alumínium felület pórusmentessé váljon, az alumíniumdarabot olyan kemencében kell sütni, amelyben oxigénatmoszféra van, hogy lezárja ezeket a pórusokat.
Az oxid porozitásának hiányában a vezetési mechanizmus Frenkel-Poole emisszió , ahol egy véletlenszerű hőingadozás alkalmanként elősegíti a megkötött elektron bejutását a vezetési sávba, ahol ekkor külső mező hatására elsodródhat.
Megjegyzések
- Tegyük fel, hogy teljesen szárazon kapartam le az alumínium tárgy felületi oxid rétegét levegő. Miután új oxidréteg képződik, vezetőt vezetéket csatlakoztatok. Mivel az oxidban nincs nedvesség, mérnék-e nagyon magas (mega / gigaohm) ellenállást?
- az oxid gyorsan képződik … Ezt a fajta kísérletet kémiai oldatokkal teli főzőpoharakban kell elvégezni , és a tápegységekhez kapcsolt elektródák és mi más. ‘ nagyon nehéz hasznos eredményeket elérni a levegőben.
- @Thorondor, nézze meg a Wikipedia cikkét a ” eloxálás “. Van néhány állítás az oxidréteg minőségének különbségeiről a szokásos alumínium és a kezelt alumínium között
- soha nem próbáltam ki, ezért nem tudom ‘ nem tudom – de ne feledd, te ki kell sütni bármelyik eloxált film pórusát, hogy 100% -ban el lehessen fedni az oxidot.
- @Thorondor Mi a helyzet a papír összetett alumínium-oxid filmek erre a válaszra? ” Egy idő után nyitott áramkörön egy több száz voltos tápfeszültségű film hirtelen legfeljebb 10–20 V feszültséget képes fenntartani. […] A víz diffúziójából adódik. belső üregekbe a gát-oxid rétegben. A reformok során az üregek anód-oxiddal töltődnek fel. ”
Válasz
A mérnöki válasz az, hogy az áram egyáltalán nem megy át nagyon jól az oxidrétegen, és ha jó kapcsolatot akarsz teremteni egy alumínium tárggyal, nagyon óvatosnak kell lenned, hogyan csinálod.
Ha csak rézdrótot (például) nyom az alumíniumhoz, nagyon nagy ellenállású kontaktust kap. Valószínűleg nem 4 gigohm, de talán több száz vagy ezer ohmos nagyságrendű, így előfordulhat, hogy légy valami a korábbi válaszokról, amelyek arra utalnak, hogy az oxidréteg elég törékeny ahhoz, hogy elszakadjon és lehetővé tegye az érintkezést.
De például csiszolópapírral ledörzsölheti az oxidot, majd légzáróvá teheti a másik tárgy összekapcsolása (vagy forrasztása vagy hegesztése) az alumíniumhoz, mielőtt az oxidnak ideje lenne újra kialakulni.
Elég kicsi geometriákhoz (például az integrált áramkör chipjeinek t örökös ólomkeretek) nyomással hegeszthet alumíniumot más anyagokra, például aranyra vagy ezüstre. Ez hajlamos jelentősen deformálni az alumínium huzalt, amelynek eléggé el kell terjesztenie az oxidot, hogy megakadályozza az érintkezést.
Vagy vegyi “bevonatot” vagy felületkezelést alkalmazhat az alumíniumon az oxid megtartása érdekében. a formálódástól. E kezelések egyike több néven szerepel, például “Alodin”, “kromátkonverzió” vagy “kem film”. (Megjegyzés: a hagyományos alodinkezelés az RoHS-irányelv miatt nem használható Európában forgalmazott termékeknél, de rendelkezésre állnak újabb, az RoHS szerint elfogadható kémiai kezelések)
Vagy nagyon agresszív fluxust használhat a kiszorításhoz az oxid forrasztás közben. De ezt a fluxust nagyon alaposan meg kell tisztítani, hogy elkerülje az alkatrészek folyamatos korrózióját.
Megjegyzések
- Ez a válasz elég sok érdekes információt tartalmaz, de ‘ szkeptikus vagyok azzal a gondolattal kapcsolatban, hogy ” áram nem ‘ nem megy át az oxidon nagyon jó. ” Ha egy szokásos ohmmérő két szondáját összekötöm egy darab alumínium fóliával, akkor nem ‘ t mérjen száz vagy ezer ohmot; Alapvetően egyáltalán nem mérek ellenállást.
- ” lényegesen deformálja az alumínium huzalt, amelynek eléggé el kell terjesztenie az oxidot, hogy megakadályozza az interferenciát a kapcsolattartóval. ” – Az. Ha AL huzalt használ, ott ‘ nyomatékspecifikációt és korróziógátló pasztát kell használnia. Korábban sokkal jobban esett a kúszásnak, de ‘ sokkal jobb most. Ha jól kínoztad, ‘ túlhalad a minuszkuláris réteg felett.
- szerintem a legnépszerűbb ” bevonat ” az alumínium CCA
- @DmitryGrigoryev, amely ‘ bizonyos alkalmazásokban gyakori, másokban viszont teljesen ismeretlen.
Válasz
Feltételezésem szerint az alumínium-oxid rétege egy alumínium darab felületén olyan vékony és alakítható, hogy amikor egy réz (mondjuk) vezetőt nyomnak rá, az alumínium-oxid könnyen félrelökhető, így elektromos érintkezés jön létre. Úgy gondolom, hogy a QM alagútépítés nem tudta elszámolni azokat a nagy áramlásokat, amelyeket ilyen esetekben megfigyelünk.
Javítás : míg az alumínium-oxid réteg valóban nagyon vékony (az alumínium magas oxigénreaktivitása és az alumínium-oxid azon képessége miatt, hogy megakadályozza az alumínium felület további oxidációját, ezért az alumínium fényes maradhat), nem alakítható az alumíniumhoz képest. Nagyon szorosan kötődik és kemény. Ahogy a megjegyzésemben szereplő hivatkozás mondja, az alumínium-oxid réteg ellenállása csak vékonysága miatt alacsony.
Sikeresen forrasztottam egy réz többvezetékes huzalt közvetlenül az alumínium alvázhoz úgy, hogy egyszerűen megkarcoltam az alumínium felületét. acélhuzal-kefe ismételten, miközben a forrasztót (60/40 ólom / ón a kolofónium fluxusa körül) és a forrasztópáka (pisztoly típusú) felvitele után forrasztja a huzalt. Az így létrejött ízület jól nézett ki, és mérhető ellenállás nélkül vezetett áramot.
Megjegyzések
- Nem ‘ oxidréteg erősen kötődik az alumíniumhoz? Ha valóban olyan könnyű lenne félretolni az oxidréteget, akkor azt várnám, hogy apró alumínium-oxid filmdarabok hullanak le minden alkalommal, amikor alumínium tárgyat rázok vagy valaminek ütközöm.
- @Thorondor, You azt mondta, hogy az oxidréteg körülbelül négy nanométer vastag. Ez ‘ kevesebb, mint a látható legrövidebb látható hullámhosszak 1/100 része. Még ha pelyhekben is levált, akkor ‘ nem fogja megnézni őket.
- elvileg a hordozóktól függően láthatja a különbséget atomvékony filmek, amelyeknek egyikük sincs …. (pl. lila színkontraszt változik grafénnal a SiO2 ostyán)
- ” ” – eh, inkább lehúzta egy imbuszkulccsal annyira, hogy ‘ alapjában benne van, de mindenesetre +1 .
- Láttam a háztartási elektromos vezetékeknél használt alumínium vezetékeket. Ebben az esetben igen, az alumínium vezetékeket a rézhuzalokhoz nyomták kis réz konzolok segítségével. Hivatkozás: hu.wikipedia.org/wiki/Aluminum_building_wiring . ” Alumínium-oxidáció ” szakasz elmagyarázza, hogy az alumínium-oxid réteg olyan vékony, hogy ellenállása kicsi (az oxidréteg nagyon szorosan kötődik, ezért nem pelyhezhet le). Természetesen az ömlesztett alumínium-oxid jó szigetelő, hasonlóan a kerámiához. Lásd még a ” Alumínium- és rézhuzalok összekötése ” szakaszt, amely említést tesz a galvanikus korrózióról.
Válasz
Ha az alumínium-oxid természetes módon képződik, az elkerülhetetlenül hibákat fog tartalmazni, mint például porszemcsék, fémszennyeződés, csapdába esett nedvesség stb. mechanikus csatlakozás elegendő az oxidréteg megtöréséhez. Ennek eredményeként, ha az érintkezési terület elég nagy, akkor az oxidréteg tényleges vastagsága jóval kisebb lesz, mint a várt 4 nm, lényegében nulla lesz. Ennek eredményeként tipikus körülmények között nem lesz mérhető megszakítási feszültség, és amikor a vezetékeket alumínium tárgyhoz csatlakoztatja, az egyszerűen vezetőként működik.
Egyébként az oxidréteg nem egyedülálló tulajdonság alumíniumból. Figyelemre méltó az, hogy milyen gyorsan oxidálódik (a legtöbb esetben megakadályozza a forrasztást), és mennyire rossz a galvanikus korrózió, amikor egy különféle fémhez, például rézhez kapcsolódik (ami sok házi tüzet okozott a nap folyamán). két rézhuzalt csatlakoztat, ugyanaz az érvelés vonatkozik az oxidrétegekre.
Válasz
Az alumínium-oxid ellenállása 1×10 ^ 14 / cm ohm. Jó hővezető képességgel rendelkezik, és csökkentheti a hőütésállóságot. Az alumínium-oxid nagyon hasznos, mivel különféle tisztaságú, 94% és 99,9% közötti tartományban kapható. Általában fehér, de néha rózsaszínű (88%) alumínium-oxid) és barna (96% -os alumínium-oxid). Az alumínium-oxid összetétele könnyen változtatható bizonyos kívánatos anyagjellemzők, például keménység vagy szín javítása érdekében. Az alumínium-oxid nagy ellenállású, tisztán növekvő elektromosan szigetelő anyag.
Bár jó szigetelő, nem tiszta szigetelő, így a jelenlegi lesz utazzon át rajta.