導線（断面積1 mm $ ^ 2 $ ）をに接続するとします。アルミニウムオブジェクト。アルミニウムは導電性が高いため、抵抗が少なく、電気がスムーズに流れます。ただし、アルミニウムも非常に反応性が高いため、オブジェクトの表面に高抵抗の酸化アルミニウムの薄層があります。ウィキペディアによると、このレイヤーの厚さは約 4 nm です（この論文を引用）。素朴に、アルミナの抵抗率を使用して酸化物層の抵抗を計算できます。これは、約
$$ R = \ rho \ frac {l} {A} \約4 \ times 10 ^ 9 \、\ Omega $$
もちろん、実際にはそれほど大きな抵抗を測定していません。しかし、なぜですか？電流はどの程度正確に通過しますか？酸化物層？
明らかな答えは、電子は単に酸化物層をトンネリングするということです。それでは、トンネリング確率を計算しましょう。 MIT OpenCourseWareのこのドキュメントによると、酸化アルミニウム層には10eVのポテンシャル障壁があります。次に、4nm層全体の透過係数は次の式で与えられます。
$$ T \ upperx e ^ {-2 \ left（\ sqrt {2 m_e / \ hbar ^ 2 \ cdot（10 \ text {eV}）} \ right）（4 \ text {nm}）} = 5.16 \ times 10 ^ {-57} $$
これは非常に少数です。原則として、状態密度とフェルミの黄金律から実際の速度を見つけることができますが、結果は非常に小さな電流になる可能性があります。
私が使用しているのは間違っているかもしれません。他のいくつかの情報源を調べたところ、ポテンシャル障壁と酸化物の厚さの値が大きく異なることがわかりました。ただし、酸化物層が厚い（たとえば、数十nm）わずかに陽極酸化されたアルミニウムでも電気を通すという事実から、トンネル化率は酸化物層の厚さとともに指数関数的に減少するため、トンネリングは完全な説明ではないと思います。
別の考えられる説明は、電気的破壊、または溶融などの酸化物結晶構造のその他の変化である可能性があります。しかし、これが正解である場合、酸化物層を導電性にするために正確に何が変化するのでしょうか。通常、酸化物は、酸素原子が自由電子を除去するため、導電性ではありません。これは何らかの理由で発生しなくなりますか？
私は良い理論的答えを受け入れたいと思っていますが、可能であれば実験的な証拠を望んでいます。
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- 十分に強い電界をかけると、絶縁破壊により絶縁体が電気を通し始めます。酸化アルミニウムの場合、絶縁破壊電界は約5 MV / cm（IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES、VOL。47、NO。1、JANUARY 2000）であるため、4nm層全体の数ボルトの電位差で十分であるように見えます。
- @MaximUmansky電気的破壊の一般的な概念は理解していますが、薄膜の破壊電圧は予想よりも高いことがよくあります。絶縁破壊電界強度は、厚さが数nmのフィルムにも適用できますか？
- @MaximUmanskyまた、この主題について詳しく知っている場合は、I ‘酸化物層が破壊されたときに正確に何が起こるかについてもっと知りたいと思っています。材料に電流を流すために、結晶構造はどのように変化しますか？たとえば、STMで効果を観察できますか？
- @Thorondorいいえ、私は絶縁破壊の専門家ではありません。数値をすばやく調べて、もっともらしいと結論付けました。酸化アルミニウムの200nmの薄膜の場合、人々は絶縁破壊電界について0.1 V / nmを報告します。グーグルするだけでたくさんの参考資料が得られます。
- 故障の仮説を確認する1つの方法は、アルミニウムシートのIV曲線を測定することです。明確なジャンプと、場合によってはヒステリシスがあるはずです。 ‘どちらも通常のアルミニウムでは起こらないと思います。おそらく、故障のアイデアは完全なストーディです。
回答
@Maxim Umanskyのコメントは正しいと思います。酸化アルミニウム層の絶縁破壊電位はわずか数ボルトです（たとえば、 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年10月、p。1479）。層の厚さについて約4nmの絶縁破壊電圧は、数ボルトになります。
回答
アルミニウムをコーティングする自然酸化物はわずかに多孔質です、および細孔は、それらの中に少量の水分を閉じ込める傾向があります。これにより、細孔は電気化学的に活性になり、わずかに導電性になります。（実際、酸化アルミニウム層が高温環境で厚くなるには、両方のアルミニウム原子が既存の酸化物を通って拡散して大気中の酸素に到達し、酸素原子が酸化物を通って下に拡散して酸化物の下の未反応のアルミニウムに到達します。）
酸化されたアルミニウムの表面を無孔にするために、アルミニウム片を酸素雰囲気のあるオーブンで焼き、それらの細孔を塞ぐ必要があります。
酸化物に多孔性がない場合、伝導メカニズムはフレンケル-ポール放出であり、ランダムな熱ゆらぎによって結合電子が伝導帯に促進されることがあります。その後、外部電界の影響下でドリフトする可能性があります。
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- 完全に乾燥した状態でアルミニウムオブジェクトの表面酸化物層を削り取ったとします。空気。新しい酸化物層が形成された後、導線を取り付けます。酸化物には水分が含まれていないので、非常に高い（メガ/ギガオーム）抵抗を測定しますか？
- 酸化物は速く形成されます…この種の実験は、化学溶液で満たされたビーカーで行う必要があります、および電源などに接続された電極。 ‘空中で有用な結果を得るのは非常に困難です。
- @Thorondor、”に関するウィキペディアの記事を参照してください。陽極酸化”。通常のアルミニウムと処理されたアルミニウムの酸化物層の品質の違いについていくつかの声明があります
- 試したことがないので、’わかりませんが、覚えておいてください。酸化物を100％カバーするには、陽極酸化フィルムの細孔を焼き払う必要があります。
- @Thorondor紙についてはどうですか 電気的不安定性この答えの情報源としての複合酸化アルミニウムフィルム ？ “開回路でしばらくすると、数百ボルトをサポートしていたフィルムが突然10〜20V以下になります[…]水の拡散に起因することが示されていますバリア酸化物層内の内部ボイドに。改質中にボイドは陽極酸化物で満たされます。”
回答
工学的な答えは、電流は酸化物層をまったく通過しないということです。アルミニウムの物体にしっかりと接触させたい場合は、その方法に十分注意する必要があります。
たとえば銅線をアルミニウム線に押し付けるだけで、非常に高い抵抗の接触が得られます。おそらく4ギガオームではありませんが、数百または数千オームのオーダーである可能性があります。以前の回答では、酸化物層が壊れて接触するのに十分なほど壊れやすいことを示唆しています。
しかし、たとえば、酸化物をサンドペーパーで削り取り、気密にすることができます。酸化物が再形成する前に、他の物体をアルミニウムに接続（またははんだ付けまたは溶接）します。
十分に小さい形状の場合（集積回路チップをtに接続するために使用されるボンドワイヤなど）相続人のリードフレーム）アルミニウムを金や銀などの他の材料に直接圧力溶接できます。これにより、アルミニウムワイヤが大幅に変形する傾向があり、接触の妨げにならないように酸化物を十分に広げる必要があります。
または、アルミニウムに化学的「コーティング」または表面処理を使用して酸化物を保持することもできます。形成から。これらの処理の1つは、「アロジン」、「クロメート変換」、「化学フィルム」などのいくつかの名前で呼ばれます。 （注：RoHS指令により、従来のアロジン処理はヨーロッパで販売される製品には使用できませんが、RoHSで許容される新しい化学処理が利用可能です）
または、非常に強力なフラックスを使用して置換することができますはんだ付け中の酸化物。ただし、部品の継続的な腐食を防ぐために、このフラックスは非常に徹底的に洗浄する必要があります。
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- この回答にはかなり興味深い情報がありますが、 ‘ “電流が酸化物を通過しない’という考えに懐疑的です”標準の抵抗計の2つのプローブをアルミホイルに接続した場合、’ t数百または数千オームを測定します。基本的に抵抗はまったく測定していません。
- “アルミニウム線を大幅に変形させるため、酸化物を十分に広げて干渉を防ぐ必要があります連絡先と。”-それ。 ALワイヤーを使用する場合は、’トルク仕様と防食ペーストを使用する必要があります。以前はクリープの影響を受けやすくなりましたが、’現在ははるかに優れています。正しくトルクをかけると、’そのごくわずかな層をはるかに超えます。
- 最も人気のある”コーティング”はアルミニウム用だと思います CCA
- @DmitryGrigoryev、’は一部のアプリケーションでは一般的ですが、他のアプリケーションではまったく不明です。
回答
私の仮説は、アルミニウム片の表面の酸化アルミニウムの層は非常に薄く、展性があるため、銅の場合（例えば）導体がそれに押し付けられると、酸化アルミニウムは簡単に押しのけられ、電気的接触が行われます。 QMトンネリングでは、このような場合に見られるような大きな電流の流れを説明できなかったと思います。
修正：アルミナ層は確かに非常に薄いですが（アルミニウムの高い酸素反応性と、アルミニウム表面のさらなる酸化を防ぐ酸化アルミニウムの能力により、アルミニウムは光沢を保つことができます）、次のように展性はありません。アルミニウムと比較して。それは非常にしっかりと結合し、硬いです。私のコメントの参考文献が言うように、アルミナ層はその薄さのために抵抗が低いです。
アルミニウムの表面を引っかいただけで、銅のマルチストランドワイヤをアルミニウムのシャーシに直接はんだ付けすることに成功しました。はんだ（ロジンフラックス周り60/40鉛/錫）とはんだごて（ガンタイプ）を塗布し、ワイヤーをはんだ付けしながら、鋼線ブラシを繰り返し使用します。結果として得られたジョイントは見栄えがよく、測定可能な抵抗なしで電気を通しました。
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- Isn ‘アルミニウムに強く結合した酸化物層？酸化層を押しのけるのが本当に簡単だったら、アルミニウムの物体を振ったり、何かにぶつけたりするたびに、酸化アルミニウムの小さな破片が落ちるのを見ると思います。
- @ Thorondor、You酸化物層は約4ナノメートルの厚さであると述べた。 ‘は、可視光線の最短波長の100分の1未満です。フレーク状に剥がれたとしても、’それらを見るつもりはありません。
- 原則として、基板によっては、持っていることの違いを見ることができます。原子的に薄いフィルムで、それらがまったくない….（たとえば、SiO2ウェーハ上のグラフェンによる紫色のコントラストの変化）
- “が押されます”-ええと、六角レンチで締めるのように、基本的には内部に’ありますが、とにかく+1します。 。
- 家庭用電気配線に使用されているアルミニウム線を見たことがあります。この場合、はい、アルミニウム線は小さな銅ブラケットを使用して銅線に押し付けられました。参照： en.wikipedia.org/wiki/Aluminum_building_wiring 。セクション”アルミニウムの酸化”は、アルミナ層が非常に薄いため抵抗が小さいことを説明しています（酸化物層は非常に緊密に結合しているため、剥がれません）。もちろん、バルクのアルミナは、セラミックと同様に優れた絶縁体です。ガルバニック腐食について言及しているセクション”アルミニウムと銅線の結合”も参照してください。
回答
酸化アルミニウムが自然に形成されると、必然的に、粉塵粒子、金属汚染、閉じ込められた湿気などの欠陥が含まれます。さらに、酸化物層を破壊するには、機械的な接続で十分です。その結果、接触面積が十分に大きい場合、酸化物層の有効厚さは予想される4 nmよりもはるかに薄くなり、基本的にはゼロになります。その結果、通常の条件下では測定可能な絶縁破壊電圧はなく、ワイヤをアルミニウムの物体に接続すると、それは単に導体として機能します。
ちなみに、酸化物層は独特の特徴ではありません。アルミニウムの。注目すべきは、酸化の速さ（ほとんどの場合、はんだ付けを防ぐ）と、銅などの異種金属に接続したときのガルバニック腐食の悪さです（これにより、1日に多くの住宅火災が発生しました）。 2本の銅線を接続すると、酸化物層について同じ理由が当てはまります。
回答
酸化アルミニウムの抵抗は1×10 ^ 14です。 / cmオーム。熱伝導率が高く、耐熱衝撃性を低減できます。アルミナは、94％から99.9％までのさまざまな純度範囲で入手できるという点で非常に便利です。通常は白ですが、ピンク（88％）の場合もあります。アルミナ）およびブラウン（96％アルミナ）。酸化アルミニウムの組成を簡単に変更して、硬度や色などの特定の望ましい材料特性を向上させることができます。酸化アルミニウムは、純度とともに増加する高抵抗率の電気絶縁材料です。
これは優れた絶縁体ですが、純粋な絶縁体ではないため、電流はそれを旅してください。