Angenommen, ich verbinde einen leitenden Draht (Querschnitt 1 mm $ ^ 2 $ ) mit einem Aluminiumobjekt. Da Aluminium gut leitend ist, fließt Elektrizität mit geringem Widerstand reibungslos in das Objekt hinein. Da Aluminium jedoch auch sehr reaktiv ist, befindet sich auf der Oberfläche des Objekts eine dünne Schicht aus hochohmigem Aluminiumoxid. Wikipedia sagt, dass diese Schicht ungefähr 4 nm dick ist (unter Berufung auf dieses Papiers ). Naiv können wir den Widerstand der Oxidschicht unter Verwendung des spezifischen Widerstands von Aluminiumoxid berechnen, der ungefähr $ 10 ^ {14} \, \ beträgt Omega \ cdot \ text {cm} $ :
$$ R = \ rho \ frac {l} {A} \ ca. 4 \ mal 10 ^ 9 \, \ Omega $$
Natürlich messen wir keinen so großen Widerstand. Aber warum nicht? Wie genau fließt ein elektrischer Strom durch die Oxidschicht?
Die offensichtliche Antwort ist, dass Elektronen einfach durch die Oxidschicht tunneln. Berechnen wir also die Tunnelwahrscheinlichkeit. Gemäß dieses Dokuments von MIT OpenCourseWare weist die Aluminiumoxidschicht eine potenzielle Barriere von 10 eV auf. Dann ist der Transmissionskoeffizient über eine 4-nm-Schicht gegeben durch
$$ T \ ungefähr e ^ {- 2 \ left (\ sqrt {2 m_e / \ hbar) ^ 2 \ cdot (10 \ text {eV})} \ right) (4 \ text {nm})} = 5,16 \ times 10 ^ {- 57} $$
Dies ist eine extrem kleine Zahl. Im Prinzip könnten wir nun die tatsächliche Rate aus der Zustandsdichte und der goldenen Regel von Fermi ermitteln, aber es ist wahrscheinlich, dass das Ergebnis ein sehr kleiner Strom sein wird.
Es ist möglich, dass die Parameter dies tun Ich benutze möglicherweise falsch. Ich überprüfte einige andere Quellen und fand sehr unterschiedliche Werte für die potentielle Barriere und die Oxiddicke. Die Tatsache, dass leicht eloxiertes Aluminium mit einer dickeren Oxidschicht (zum Beispiel einige zehn nm) immer noch Elektrizität leitet, lässt mich jedoch denken, dass das Tunneln keine vollständige Erklärung ist, da die Tunnelrate mit der Dicke der Oxidschicht exponentiell abnimmt.
Eine andere mögliche Erklärung könnte ein elektrischer Durchschlag oder eine andere Änderung der Oxidkristallstruktur sein, wie z. B. Schmelzen. Aber wenn dies die richtige Antwort ist, was genau ändert sich in der Oxidschicht, um sie elektrisch leitend zu machen? Normalerweise sind Oxide nicht leitend, da die Sauerstoffatome freie Elektronen abfangen. Hört dies aus irgendeinem Grund auf?
Ich bin bereit, eine gute theoretische Antwort zu akzeptieren, hoffe aber auf experimentelle Beweise, wenn möglich.
Kommentare
- Wenn Sie ein ausreichend starkes elektrisches Feld anlegen, leitet ein Isolator aufgrund eines Stromausfalls Elektrizität. Für Aluminiumoxid beträgt das elektrische Durchbruchfeld ~ 5 MV / cm (IEEE-TRANSAKTIONEN AUF ELEKTRONENGERÄTEN, BAND 47, NR. 1, JANUAR 2000), sodass es so aussieht, als ob eine Potentialdifferenz von ein paar Volt über die 4-nm-Schicht ausreichen sollte Mach es.
- @MaximUmansky Ich verstehe das allgemeine Konzept des elektrischen Durchschlags, aber dünne Filme haben oft höhere Durchbruchspannungen als erwartet. Gilt die Durchbruchfeldstärke noch für einen Film mit einer Dicke von nur wenigen nm?
- @MaximUmansky Wenn Sie mehr über das Thema wissen, kann ich ‚ Ich bin neugierig, mehr darüber zu erfahren, was genau passiert, wenn eine Oxidschicht zusammenbricht. Wie ändert sich die Kristallstruktur, damit das Material elektrischen Strom leiten kann? Können wir die Auswirkungen beispielsweise mit einem STM beobachten?
- @Thorondor Nein, ich bin kein Experte für Stromausfälle, habe nur schnell nachgeschlagen und festgestellt, dass dies plausibel erscheint. Für 200 nm dünne Filme aus Aluminiumoxid geben Menschen 0,1 V / nm für das Durchbruchfeld an. Nur googeln gibt es viele Referenzen.
- Eine Möglichkeit, eine Durchschlagshypothese zu überprüfen, besteht darin, eine IV-Kurve aus Aluminiumblech zu messen. Es sollte einen deutlichen Sprung und möglicherweise eine Hysterese geben. Ich glaube nicht, dass ‚ beides mit normalem Aluminium passiert, höchstwahrscheinlich ist die Idee des Zusammenbruchs der volle Zustand.
Antwort
Ich glaube, @Maxim Umansky hat in seinem Kommentar Recht: Das Durchschlagspotential der Aluminiumoxidschicht beträgt nur wenige Volt (siehe z. B. Abb. 8 in http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.877.5366&rep=rep1&type=pdf (J. Electrochem. Soc., Festkörperwissenschaft und -technologie, Oktober 1976, S. 1479). Für eine Schichtdicke von ungefähr 4 nm erhalten wir eine Durchbruchspannung von einigen Volt.
Antwort
Das native Oxid, das Aluminium beschichtet, ist leicht porös und die Poren neigen dazu, winzige Mengen an Feuchtigkeit in ihnen einzufangen. Dies macht sie elektrochemisch aktiv und sehr leicht leitend.(Damit die Aluminiumoxidschicht in heißen Umgebungen an Dicke zunimmt, müssen sowohl die Aluminiumatome durch das vorhandene Oxid diffundieren können, um Sauerstoff in der Atmosphäre zu erreichen, als auch die Sauerstoffatome können durch das Oxid nach unten diffundieren Erreichen Sie nicht umgesetztes Aluminium unter dem Oxid.)
Um eine oxidierte Aluminiumoberfläche porenfrei zu machen, muss das Aluminiumstück in einem Ofen mit Sauerstoffatmosphäre gebrannt werden, um diese Poren zu verschließen.
In Abwesenheit von Porosität im Oxid ist der Leitungsmechanismus Frenkel-Poole-Emission , wobei eine zufällige thermische Fluktuation gelegentlich ein gebundenes Elektron in das Leitungsband fördert, wo es kann dann unter dem Einfluss eines externen Feldes driften.
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- Angenommen, ich habe die Oberflächenoxidschicht auf dem Aluminiumobjekt vollständig trocken abgekratzt Luft. Nachdem sich eine neue Oxidschicht gebildet hat, bringe ich einen leitenden Draht an. Würde ich einen sehr hohen Widerstand (Mega / Gigaohm) messen, da das Oxid keine Feuchtigkeit enthält?
- Das Oxid bildet sich schnell … Diese Art von Experiment muss in Bechern mit chemischen Lösungen durchgeführt werden und Elektroden, die an Stromversorgungen angeschlossen sind und so weiter. ‚ ist sehr schwer, nützliche Ergebnisse in der Luft zu erzielen.
- @Thorondor, lesen Sie den Wikipedia-Artikel unter “ Anodisieren „. Es gibt einige Aussagen über Unterschiede in der Oxidschichtqualität zwischen normalem Aluminium und behandeltem Aluminium.
- hat es nie ausprobiert, daher weiß ich ‚ nicht – aber denken Sie daran, Sie müssen die Poren in einem eloxierten Film ausbacken, um eine 100% ige Bedeckung des Oxids zu erhalten.
- @Thorondor Was ist mit dem Papier? Elektrische Instabilität von Aluminiumoxid-Verbundfilme als Quelle für diese Antwort? “ Nach einiger Zeit im offenen Stromkreis hält ein Film, der mehrere hundert Volt unterstützt hat, plötzlich nicht mehr als 10–20 V […]. Es wird gezeigt, dass er aus der Diffusion von Wasser resultiert in innere Hohlräume innerhalb der Barrieroxidschicht. Die Hohlräume werden während der Reformation mit anodischem Oxid gefüllt. “
Antwort
Die technische Antwort lautet, dass der Strom die Oxidschicht überhaupt nicht gut durchströmt. Wenn Sie einen guten Kontakt zu einem Aluminiumobjekt herstellen möchten, müssen Sie sehr vorsichtig sein.
Wenn Sie nur einen Kupferdraht (zum Beispiel) gegen einen Aluminiumdraht drücken, erhalten Sie einen Kontakt mit sehr hohem Widerstand. Wahrscheinlich nicht 4 Gigaohm, aber vielleicht in der Größenordnung von Hunderten oder Tausenden von Ohm Seien Sie etwas zu den früheren Antworten, die darauf hindeuten, dass die Oxidschicht zerbrechlich genug ist, um sich zu lösen und Kontakt zuzulassen.
Sie können das Oxid jedoch beispielsweise mit Sandpapier abreiben und dann luftdicht machen Verbinden (oder Löten oder Schweißen) des anderen Objekts mit dem Aluminium, bevor das Oxid Zeit hat, sich neu zu formen.
Für ausreichend kleine Geometrien (wie die Bonddrähte, die zum Verbinden von Chips mit integrierten Schaltkreisen mit t verwendet werden Sie können Aluminium direkt mit anderen Materialien wie Gold oder Silber druckschweißen. Dies neigt dazu, den Aluminiumdraht erheblich zu verformen, wodurch das Oxid ausreichend verteilt werden muss, um zu verhindern, dass es den Kontakt stört.
Oder Sie können eine chemische „Beschichtung“ oder Oberflächenbehandlung des Aluminiums verwenden, um das Oxid zu halten vom Formen. Eine dieser Behandlungen trägt mehrere Namen wie „Alodin“, „Chromatumwandlung“ oder „chemischer Film“. (Hinweis: Die traditionelle Alodine-Behandlung kann aufgrund der RoHS-Richtlinie nicht für Produkte verwendet werden, die in Europa verkauft werden. Es stehen jedoch neuere chemische Behandlungen zur Verfügung, die unter RoHS akzeptabel sind.)
Oder Sie können ein sehr aggressives Flussmittel verwenden, um zu verdrängen das Oxid beim Löten. Dieses Flussmittel muss jedoch sehr gründlich gereinigt werden, um eine fortgesetzte Korrosion Ihrer Teile zu vermeiden.
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- Diese Antwort enthält einige interessante Informationen, aber Ich ‚ bin skeptisch gegenüber der Idee, dass “ Strom ‚ nicht durch das Oxid fließt Schicht überhaupt sehr gut. “ Wenn ich die beiden Sonden eines Standard-Ohmmeters an ein Stück Aluminiumfolie anschließe,
t messen Sie Hunderte oder Tausende von Ohm; Ich messe im Grunde überhaupt keinen Widerstand.
Antwort
Meine Hypothese ist, dass die Aluminiumoxidschicht auf der Oberfläche eines Aluminiumstücks so dünn und formbar ist wie bei einem Kupfer (sagen wir) Leiter wird dagegen gedrückt, das Aluminiumoxid wird leicht beiseite geschoben, so dass ein elektrischer Kontakt hergestellt wird. Ich glaube, dass das QM-Tunneln die großen Stromflüsse, wie wir sie in solchen Fällen beobachten, nicht erklären konnte.
Korrektur : Während die Aluminiumoxidschicht in der Tat sehr dünn ist (aufgrund der hohen Sauerstoffreaktivität von Aluminium in Kombination mit der Fähigkeit von Aluminiumoxid, eine weitere Oxidation der Aluminiumoberfläche zu verhindern, weshalb Aluminium glänzend bleiben kann), ist sie nicht so formbar wie verglichen mit Aluminium. Es verbindet sich sehr eng und ist hart. Wie die Referenz in meinem Kommentar sagt, ist der Widerstand der Aluminiumoxidschicht nur wegen ihrer Dünnheit gering.
Ich habe erfolgreich einen Kupfer-Multistrangdraht direkt auf ein Aluminiumgehäuse gelötet, indem ich einfach die Aluminiumoberfläche mit einem zerkratzt habe Stahldrahtbürste wiederholt, während das Lot (60/40 Blei / Zinn um Kolophoniumflussmittel) und der Lötkolben (Pistolentyp) aufgetragen und dann der Draht eingelötet wird. Die resultierende Verbindung sah gut aus und leitete Elektrizität ohne messbaren Widerstand.
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- Ist nicht ‚ t the Oxidschicht stark an das Aluminium gebunden? Wenn es wirklich so einfach wäre, die Oxidschicht beiseite zu schieben, würde ich erwarten, dass jedes Mal, wenn ich ein Aluminiumobjekt schüttle oder gegen etwas stoße, winzige Stücke Aluminiumoxidfilm abfallen.
- @Thorondor, You sagte, dass die Oxidschicht ungefähr vier Nanometer dick ist. Das ‚ ist weniger als 1/100 der kürzesten sichtbaren Wellenlängen des Lichts. Selbst wenn es sich in Flocken gelöst hat, werden Sie sie ‚ nicht sehen.
- Im Prinzip können Sie je nach Substrat den Unterschied zwischen haben atomar dünne Filme und mit keinem von ihnen …. (z. B. Änderung des violetten Farbkontrasts durch Graphen auf einem SiO2-Wafer)
- “ wird gedrückt “ – eh, eher wie mit einem Inbusschlüssel so festgezogen , dass es ‚ im Grunde genommen darin ist, aber trotzdem +1
- Ich habe Aluminiumdrähte gesehen, die in elektrischen Haushaltskabeln verwendet werden. In diesem Fall wurden die Aluminiumdrähte mit kleinen Kupferklammern gegen die Kupferdrähte gedrückt. Referenz: de.wikipedia.org/wiki/Aluminum_building_wiring . Abschnitt “ Aluminiumoxidation “ erklärt, dass die Aluminiumoxidschicht so dünn ist, dass ihr Widerstand gering ist (die Oxidschicht verbindet sich sehr eng, so dass kann nicht abblättern). Natürlich ist Aluminiumoxid in loser Schüttung ein guter Isolator, ähnlich wie Keramik. Siehe auch Abschnitt “ Verbinden von Aluminium- und Kupferdrähten „, in dem galvanische Korrosion erwähnt wird.
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Wenn Aluminiumoxid auf natürliche Weise gebildet wird, enthält es unweigerlich Defekte wie Staubpartikel, Metallverunreinigungen, eingeschlossene Feuchtigkeit usw. Zusätzlich wird der Druck auf das Eine mechanische Verbindung reicht aus, um die Oxidschicht aufzubrechen. Wenn die Kontaktfläche groß genug ist, ist die effektive Dicke der Oxidschicht viel geringer als die erwarteten 4 nm, im wesentlichen ist sie Null. Infolgedessen gibt es unter typischen Bedingungen keine messbare Durchbruchspannung, und wenn Sie Drähte an ein Aluminiumobjekt anschließen, fungiert es einfach als Leiter.
Übrigens ist die Oxidschicht kein einzigartiges Merkmal aus Aluminium. Bemerkenswert ist, wie schnell es oxidiert (was in den meisten Fällen das Löten verhindert) und wie stark die galvanische Korrosion ist, wenn es mit einem ungleichen Metall wie Kupfer verbunden ist (was damals viele Hausbrände verursachte). Aber im Wesentlichen wann Wenn Sie zwei Kupferdrähte anschließen, gelten die gleichen Überlegungen zu Oxidschichten.
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Der Widerstand von Aluminiumoxid beträgt 1×10 ^ 14 / cm Ohm. Es hat eine gute Wärmeleitfähigkeit und kann die Wärmeschockbeständigkeit verringern. Aluminiumoxid ist sehr nützlich, da es in einer Vielzahl von Reinheitsbereichen von 94% bis 99,9% erhältlich ist. Es ist normalerweise weiß, aber manchmal rosa (88%) Aluminiumoxid) und Braun (96% Aluminiumoxid). Die Zusammensetzung von Aluminiumoxid kann leicht geändert werden, um bestimmte wünschenswerte Materialeigenschaften wie die Härte oder Farbe zu verbessern. Aluminiumoxid ist ein elektrisch isolierendes Material mit hohem spezifischen Widerstand, das mit der Reinheit zunimmt.
Obwohl es sich um einen guten Isolator handelt, handelt es sich nicht um einen reinen Isolator reisen Sie durch.