Исследование свойств поверхности многокомпонентных материалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

В электронной и радиоэлектронной промышленности всегда существует проблема повышения долговечности и надежности приборов и электронных компонентов. Ограничение срока службы электронных приборов (вакуумных, газоразрядных, квантовых и др.) во многом определяется процессами, проходящими на поверхности внутри приборных элементов и в их приповерхностных слоях под воздействием высокоинтенсивных потоков электронов, ионов и атомных частиц, которые образуются во время работы рассматриваемых приборов.

Таким образом, важность изучения данных процессов связана не только с фундаментальными задачами (с исследованием физических, физико-химических процессов, протекающих на поверхности и в приповерхностных слоях твердого тела под радиационным воздействием высокоинтенсивных заряженных и нейтральных частиц, в условиях, близких к реальным в работающем изделии.), но и с практической потребностью - долговечностью, надежностью и работоспособностью приборов Выявление закономерностей взаимодействия заряженных и ускоренных частиц с элементами приборов (с твердым телом) позволяет использовать их как для борьбы с нежелательными явлениями, так и для управления физическими процессами с целью повышения качества и долговечности изделия.

Особенно важно знать информацию об изменении состава и структуры поверхности многокомпонентных систем, например, металлооксидных со стабилизирующей металлической пленкой, механизм диффузии и адсорбции, глубину проникновения частиц и энергии при достаточно мощном воздействии.

Целью работы являлся анализ противоречий в механизмах протекания электрического тока в проводниках и уточнение физического смысла понятия "электрическое напряжение".

Теоретическая часть. Свойства поверхности многокомпонентных материалов

Коммутация электрических токов и напряжений связана с научными, техническими и технологическими задачами, успех в решении которых зависит от конкретизации физического смысла понятий фундаментального характера, таких ток, напряжение, электродвижущая сила.

Несмотря на широкое использование и кажущуюся полную ясность в определениях приведенных основных электрических понятий, их содержание, причины возникновения и физическая природа нуждаются в уточнениях. Для решения такой задачи необходимо исходно конкретизировать уже существующие представления об основных электрических характеристиках и понятиях.

По существующим представлениям электрический ток в электронных проводниках образуется под действием электрического поля, создаваемого источником электродвижущей силы (ЭДС). В цепях с источниками постоянного тока электрическое поле имеет электростатический характер. Оно формируется разделенными избыточными отрицательными и положительными зарядами и характеризуется напряжением U электрического поля.

Согласно электронной теории твердого тела в электронных проводниках (в металлах) имеются свободные электроны, представляющие в совокупности электронный газ, но с особыми свойствами. Энергии свободных электронов проводимости квантованы на основе условия стоячих электронных волн в размерах проводника и принципа Паули (одинаковую энергию могут иметь только два свободных электрона с разными спинами), использованных Зоммерфельдом для построения электронной модели твердого тела.

При соединении проводника с клеммами источника ЭДС электрическое поле источника распространяется по проводнику со скоростью распространения электромагнитных волн и далее оказывает силовое действие на носители тока, то есть на свободные электроны электронного газа, перемещая их в направлении действия поля с силой

F = e E = e dU/dx, (1)

где e = заряд электрона, E = напряженность электрического поляя.

Согласно классической электронной теории плотность электрического тока определяется как

j = e n v_др. (1)

где e - заряд электрона; n - концентрация носителей заряда (электронов), v_др - направленная дрейфовая скорость перемещения электронов под действием электрического поля.

Энергетические возможности избыточных разделенных зарядов в источнике энергии характеризуются напряжением, точнее величиной ЭДС, измеряемой в единицах напряжения. При соединении электронным проводником полюсов источника снимается потенциальный барьер между электродами источника, и избыточные заряды создают в цепи электрический ток, стремясь к выравнивании концентраций зарядов на электродах. При этом сторонние силы в источнике ЭДС восстанавливают нарушающуюся разность концентраций зарядов и поддерживают протекание электрического тока постоянной величины.

Несомненным является представление о разной концентрации электрических зарядов между концами сопротивления во внешней цепи, по которому течет электрический ток. В таком варианте направленное движение электрических зарядов создается под действием кулоновских сил отталкивания между одноименными и притягивания между разноименными зарядами. Это уже принципиально другой механизм токопрохождения в электронных проводниках. В таком можно сказать в концентрационном варианте нет необходимости в наличии электрического поля в проводнике. Однако без полевого механизма концентрационный механизм приводит к инерционности распространения тока по длине проводника из-за сжимаемости электронного газа. Первый вариант (силовое действие полем)* можно отнести к дальнодействию через поле макрозарядов, а второй - к близкодействию через поля элементарных заряженных частиц, носителей тока. В обоих вариантах основной причиной образования тока в замкнутой внешней цепи источника ЭДС является наличие избыточных зарядов противоположного знака на клеммах источника электрической энергии. Эти механизмы считаются взаимодополняющими и не противопоставляются друг ругу. Приведенная в таком общем виде модель токообразования считается бесспорной и не вызывает сомнений.

Приведенная модель полностью относится и к электрическим цепям переменного тока, которые отличаются природой сторонней силы в источнике ЭДС и непостоянством количества и знаков зарядов на полюсах источника. Источники ЭДС переменного тока рассматриваются как квазиэлектростатические, хотя подобных формулировок в литературе не встречается. Считается, что при изменении магнитного поля в обмотке индукционного источника ЭДС происходит разделение отрицательных и положительных электрических зарядов по концам обмотки (контура). При соединении проводника (внешней цепи) к полюсам (к концам) обмотки в проводнике создается электрический ток подобно выше описанным механизмам для цепей постоянного тока. С изменением скорости изменения и направления магнитного потока через обмотку изменяются соответственно количества и знаки зарядов на полюсах источника. Однако в каждый момент времени состояние электрической цепи эквивалентно цепи постоянного тока, а именно на клеммах источника энергии имеются избыточные электрические заряды, создающие электрическое поле на внешнем участке электрической цепи. На сопротивлениях внешней цепи также имеется падение напряжения, обусловленное разной концентрацией избыточных электрических зарядов. Наряду с дальнодействующим, полевым механизмом в цепях переменного тока вполне применима модель образования тока по концентрационному механизму кулоновского взаимодействия электронов друг с другом, то есть отталкивание - притягивание электрических зарядов на микроуровне.

Вероятно из-за очевидности описанные механизмы токообразования в электротехнической литературе не приводятся, но могут быть сформулированы самим читателем в результате анализа литературы по теоретической электротехнике и электронной технике. Такие модели используются как основа для построения других более подробных физических моделей и для решения практических задач.

Однако в комплексе и согласовании теоретических основ электростатики и электронной теории, квантовой и классической физики, электротехники и электродинамики физика протекания электрического тока в литературе не рассматривалась.

Наряду с квазистатическим механизмом протекания тока в цепях переменного тока с индукционными источниками ЭДС предполагается наличие вихревого электрического поля, которое возникает как результат изменения магнитного поля и действует на электрические заряды, перемещая их в направлении электрической напряженности. Далее с уточнениями деталей механизмов токообразования возникают и нарастают противоречия.

rot H = 4 j + dD/dt

rot E = - dB/dt

div B = 0

div E = 4

j = (E + Eстор)

D = E

B = H

Например, если вихревое электрическое поле образует ток, то по временной фазе этот ток как и вихревое поле будет отличаться (отставать*) от магнитного поля на четверть периода. Это означает, что в максимуме тока носителей заряда (тока электронов) в проводнике магнитное поле вокруг проводника имеет нулевое значение. Однако известно из опыта, что магнитное поле и ток неразрывны и связаны соотношением W_H = I² L/2, а величина и фаза тока неизменны по всей длине контура. Это означает, что электрический ток в контуре переменного тока создается не вихревым электрическим полем, а каким-то другим механизмом.

Другим противоречием является "неподчинение" большинства свободных электронов электрическому полю источника и отсутствие физического (силового) обоснования запрета Паули. В частности, согласно квантово-механической теории с учетом принципа Паули в создании электрического тока принимают участие только около 1/30 доли всех свободных электронов, способных изменять свою энергию под действием электрического поля - это электроны с энергиями, отличающимися от энергии уровня Ферми в пределах около 3/2 kT. Электроны с энергиями E < (E_F - 3/2 kT), то есть на уровнях много ниже уровня Ферми не могут изменять свои энергии, а соответственно не могут двигаться. Принцип запрета Паули налагает ограничение не только на изменение энергии под действием поля, но и ограничивает перераспределение избыточной энергии электрона между электронами, термализацию электронного газа электронно-электронными взаимодействиями и любыми взаимодействиями. При соударениях суммарная энергия электронов не изменяется, свободных электронных состояний нет, поэтому два соударяющихся электрона могут только поменяться энергиями. Для этого должны быть строго определенные единственные условия столкновения. Например, величина энергии при кинетическом обмене зависит от прицельного параметра взаимодействия. Это означает, что для передачи заданной порции энергии низкоэнергетическому электрону необходимо, чтобы столкновение произошло только при определенном прицельном параметре. Так как большинство квантово-механических характеристик экспериментально неизмеримы, то физические механизмы токопрохождения целесообразно строить на экспериментально измеряемых параметрах в понятиях классической физики.

Для выяснения физических процессов токопрохождения в металлах были проведены экспериментальные исследования по выяснению природы электрического напряжения в источниках постоянного тока - гальванических элементах на примере свинцово-кислотного аккумулятора. Известно, что гальванические элементы являются химическими источниками тока, в которых между полюсами имеется разность электродных потенциалов. Электрический ток в них формируется за счет поступления в отрицательный электрод электронов и отбора электронов из положительного электрода электронов как результатов электрохимических реакций на поверхностях электродов. Целью экспериментальных исследований являлось определение продуктов электрохимических реакций на поверхности электродов, в частности сульфатов свинца, и выявление физической природы электродных потенциалов. Двухсотлетняя дискуссия по решению этой задачи и по противостоянию химической и контактной теорий находится в настоящее время на уровне эклектического соглашения о влиянии обеих причин на работу гальванического элемента, но без уточнения степени вклада. Появление методов диагностики поверхности позволило получить однозначный ответ по дискутируемым вопросам.

Исследования элементного состава поверхности электродов свинцово-кислотного аккумулятора проводились методами спектроскопии обратно рассеянных ионов низких энергий (СОРИНЭ), электронной оже-спектроскопии (ЭОС) и вторично-ионной-масс-спектроскопии (ВИМС). Методы диагностики позволяли определять состав одного внешнего монослоя поверхности, распределение химических элементов по глубине от поверхности (концентрационные профили) при послойном анализе по глубине, распределение по поверхности (изображения в химических элементах).

Исследованы поверхности отрицательного и положительного электродов свинцово-кислотных аккумуляторных батарей различного типа, различных изготовителей, с различным временем эксплуатации и хранения (от новых до вышедших из строя), на разных этапах разряда и заряда.

Исследования показали, что на поверхности электродов существенно изменялись только концентрации свинца и кислорода. Ожидаемая концентрация серы на поверхностях электродов от предполагаемой сульфатации в результате электрохимической реакции не обнаружена. Растровый анализ распределения элементов по поверхности методом ВИМС и послойный анализ методами ВИМС и ЭОС, СОРИНЭ показали, что атомы серы накапливаются в небольшом количестве на поверхности пятнами в процессе длительной работы. Максимальное значение средней поверхностной концентрации серы после 5 лет хранения или эксплуатации аккумулятора не превышает 4-7 %. Количества серы, необходимого для процесса двойной сульфатации, не обнаруживалось ни на одном из многочисленных исследованных проб обоих электродов (заряженных, разряженных, промежуточных, отработавших сроки от одного до пяти лет аккумуляторов). При этом предел обнаружения метода СОРИНЭ по сере не хуже 0.01 монослоя при монослойной чувствительности по глубине.

Отсутствие токообразующих электрохимических реакций указывает на контактный механизм работы гальванического элемента, что и было подтверждено экспериментально и теоретически продолжением исследований в этом направлении. Однако основным вопросом для излагаемой темы является природа электродных потенциалов и в частности наличие или отсутствие избыточных зарядов на полюсах источника. Для выяснения этого вопроса был поставлен эксперимент с заменой электролита на химически пассивный сегнетоэлектрик с большой диэлектрической постоянной е = 180000, а электроды заменили на Cu и Zn. Замыкание электрически нейтральных пластин такого конденсатора показал появление тока во внешней цепи, спадающего со временем до нуля с образованием противодействующей контактной разности потенциалов. Наличие тока без электрического зарядового напряжения между электродами обусловлено природой электронного сродства атомов, проявляющейся разной энергией связи электронов в Cu и Zn пластинах экспериментального конденсатора. На границе раздела Cu и Zn образуется межатомная сила, перемещающая электроны из одного металла в другой. Этот эксперимент показал возможность получения тока зарядово-нейтральными электродами при отсутствии электрохимических реакций и при отсутствии двойных слоев, а значит электродных потенциалов. В такой системе электродвижущей силой является разная сила притяжения электронов разными атомами химических элементов. Она образуется на границе раздела между металлами. При наличии в цепи других материалов величина электродвижущей силы обусловлена разностью энергий связи электронов на поверхностях, образующих электрическую емкость, то есть на внешних поверхностях. Аналогичную природу имеет электродвижущая сила и в гальванических элементах.

Направленное движение свободных электронов во внешней цепи конденсатора с нейтральными пластинами при отсутствии электрического поля в проводнике указывает на распространение силы (электродвижущей силы), возникающей на границе раздела металлов, по всему контуру внешней цепи. Передача силового действия возможна только кулоновским взаимодействием между электронами и ионной решеткой атомов. Мгновенное распространение силы взаимодействия по внешней цепи указывает на то, что свободные электроны (проводимости, точнее валентные) связаны друг с другом жестким потенциалом взаимодействия, то есть в совокупности образуют не газ с некоторой свободной длиной пробега электрона, а несжимаемую жидкость. Не сжимаемость газа свободных электронов возможна при энергетической связанности электронов с атомами возможности свободного перехода от атома к атому.

Это предположение находит экспериментальное подтверждение. В наших экспериментах по рассеянию ионов поверхностью вольфрама с цезием показано, что "вытекающего" свободного электронного газа над поверхностью нет. Ни в одном из многочисленных экспериментов наших и других авторов по рассеянию ионов инертных газов от поверхности металлов, полупроводников и диэлектриков вклад свободных электронов в нейтрализацию ионов не обнаружен. Другим подтверждением этого предположения являются эксперименты по туннельной микроскопии, в которой при приближении зонда к поверхности туннельный ток возникает сразу с поверхностных состояний, а затем прямой ток с атомных орбиталей без составляющей от свободного электронного газа.

Приведенные эксперименты и теоретический анализ позволяют предполагать, что электроны проводимости в металле связаны с атомами решетки, но отличаются энергией связи от одиночных атомов из-за взаимодействия электронов соседних атомов друг с другом. Решетку кристалла образуют не ионы атомов, а сами нейтральные атомы. Энергетически возбужденные валентные электроны ближними и дальними соседями распределяются в некоторой энергетической полосе, оставаясь связанными с атомами. Свободный электрон со средней кинетической энергией 3/2 kT = 0.34 эВ (при Т = 300 К), попадая в поле влияния атома, неизбежно захватывается на валентную орбиталь, так как энергия связи валентного электрона составляет единицы эВ и намного больше кинетической энергии электрона. Свободность электронов для направленного движения заключается в отсутствии потенциального барьера между атомами. Электроны могут свободно переходить от атома к атому при наличии электронной вакансии. При переходе от атома к атому электроны кинетически взаимодействуют с атомами и передают часть своей энергии атомам и увеличивают их колебательную энергию. Такая модель хорошо согласуется с теплоемкостью металлов и диэлектриков.

Не сжимаемость электронного газа обусловлена потенциалом взаимодействия валентного электрона с атомным остовом. Несмотря на значительное среднее расстояние между валентными электронами (постоянная решетки) сжатию их орбит противодействует потенциальное поле атомного остова с потенциалом взаимодействия "ион-валентный электрон".

Энергетическая зонная схема в такой модели претерпевает существенное изменение: энергетические уровни, образующие валентную зону, являются не кинетическими в отсчете от дна валентной зоны, а потенциальными энергиями электронов атомов, отсчитываемых от нулевого уровня. При этом отпадает необходимость в применении принципа запрета Паули и в гипотезе о волновых свойствах электрона, по крайней мере, в квантовании его поведения кристаллом. Поведение электронов квантуется не геометрией кристалла, а отдельными атомами, что согласуется с атомными оптическими спектрами. Это снимает запрет энергетического взаимодействия электронов нижней части валентной зоны с атомами: все валентные электроны могут энергетически взаимодействовать с атомами и друг с другом, могут приобретать другие потенциальные энергии по всей ширине валентной зоны, если полученная им энергия позволяет сместить электрон с занятой орбиты.

Приведенная краткая описательная форма модели может претендовать только на роль основы для гипотезы, но ее основные положения сформулированы по результатам экспериментов. Такая модель может быть непротиворечиво построена на категориях и понятиях классической физики, не прибегая к квантовой механике. Существующая квантово-механическая зонная модель построена на принципиально ненаблюдаемых теоретических параметрах, таких как запрет Паули, электронные волны и т.д.

При протекании электрического дрейфовая скорость электронов может быть определена по формуле (2). При максимальной плотности тока в меди 10 А/мм² и при одном свободном электроне на атом и диаметре атома 3 А (n = 3 10²² 1/см³) : v_др = j / e n = 1000 / (1.6 10 ^{- 19} 3 10²²) = 0.2 см/сек.

В приближении равномерного движения время прохождения электрона на расстояние постоянной решетки составляет

t = s / v_др = 3 10 - ⁸ / 0.2 = 1.5 10 ^{- 6} сек.

Учитывая, что орбитальный период электрона находится в пределах t_орб = 10 ^{- 12} сек, то процесс токопрохождения практически не нарушает электронное состояние атома и твердого тела в целом. Электрон переходит от атома к атому в среднем через 10 ^{- 6} оборотов в поле атома.

Протекание тока по механизму кулоновского взаимодействия валентных орбитальных электронов не нарушает зарядовой нейтральности ни один из участков электрической цепи. На языке электротехники, точнее электростатики это означает, что зарядовая (кулоновская) разность потенциалов на всех участках электрической цепи равна нулю, электрическое напряжение в кулоновском смысле, обусловленная избыточными электрическими зарядами, в цепях отсутствует. В электрической цепи избыточные заряды содержат только электрические емкости (рабочие и паразитные). Напряжение на концах любого сопротивления, измеряемое вольтметром есть разность величины сил кулоновского давления электронной жидкости. На активном сопротивлении кулоновской силе направленного давления электронного газа (жидкости) противодействует по всему объему эоектронного проводника сила сопротивления атомов (потенциальных барьеров между атомами). Поэтому сила давления электронного газа в направлении движения электронов уменьшается. Разность сил оказывает воздействие на измерительный прибор равное силовому воздействию электростатической напряженности.

Литература

1. Нестеров С.Б., Васильев Ю.К. Влияние распределения частиц на проводимость // Вакуумная наука и техника: Материалы VI научно-технической конференции. Гурзуф, 1999.-С. 101-109.

2. Me Cracken G. М. The behaviour of aurfaces unter ion bombardment. //Reports on Progress in Physica.-1975.-V.38, № 2.- P. 241-327

3. Фридрихов С.А., Мовнин C.M. Физические основы электронной техники. М.: Высшая школа, 1982. - 340 с.

4. Актон Д.Р., Свифт Д.Д. Газоразрядные приборы с холодным катодом. -М.: Энергия, 1965.-250 с.

5. Реди Дж. Действие мощного лазерного излучения / Пер. с англ. под ред. С.И Анисимова. М.: Мир, 1974. - 468 с.

6. Гнучев Н.М. Кинетика процессов, происходящих на поверхности катодных сплавов и пленочных систем: Дисс. .канд. физ.- мат. наук. JL: ЛПИ, 1975.- 165с.

7. Есаулов Н.П., Марин В.П. Разработка сэндвич-структур для катодов мощных ЭВП СВЧ // Наукоемкие технологии. 2001. - №4, т.2. - С.20-28.

Размещено на Allbest.ru