электроперенос

ЭЛЕКТРОПЕРЕНОС (злектродиффузия)

передвижение компонентов металлич. расплавов (напр., компонентов жидких сплавов Na-K, Hg-Cd, Ga-Bi) при пропускании постоянного электрич. тока. Наблюдается также в твердых веществах, только в этих случаях Э. происходит значительно медленнее. Известен Э. изотопов в металлах (эффект Хеффнера, открыт в 1953); обычно легкий изотоп мигрирует к аноду. До сих пор Э. мало изучен.

Э. фактически проявляется только в движении примесей, если концентрация их невелика. Характеризуется Э. электрич. подвижностью и_i ионов i-го компонента, равной скорости упорядоченного движения при напряженности поля 1 В/см, и зависит от эффективного заряда Эти величины связаны уравнением Эйнштейна:

где D₀ — коэф. молекулярной диффузии, е — элементарный электрич. заряд, k — постоянная Больцмана, Т — абс. температура.

При достаточно длит. пропускании тока Э. уравновешивается обратной диффузией и конвекцией и достигается стационарное (неизменное во времени) распределение концентраций с i-го компонента в образце, определяемое соотношением:

где c₁ и с₂ — концентрация i-го компонента в точках 1 и 2, — разность электрич. потенциалов между точками 1 и 2, D_эф — эффективный коэф. диффузии. При высоких значениях степень разделения компонентов при Э. весьма велика (составляет 10⁵ и более). Порядок величин и_i ионов в жидких металлах и в растворах электролитов близок и составляет 10⁻³–10⁻⁴ см²/В х с).

Одним из факторов, определяющих Э., является электронный ветер — увлечение ионов и атомов компонентов потоком электронов проводимости. Для разб. бинарного раствора справедливо уравнение:

где z₁ и z₂ — истинные заряды ионов основного компонента и примеси, и — сечения рассеяния ими электронов, эффективный заряд примеси. Действующая на ион результирующая сила F₂равна разности электростатич. силы и силы электронного ветра:

где — эффективный заряд, обусловленный электронным ветром, Е — напряженность электрич. поля. Если , что наблюдается, напр., для большинства примесей в жидких щелочных металлах и в Ga, вклад намного превышает вклад собственного заряда примесного иона. В таких случаях Э. под действием электронного ветра значительно эффективнее, чем под действием электростатич. силы, но осуществляется не к катоду, а к аноду. Так, для Bi в Ga при 200 °C= -5,5, а в щелочных металлах его может достигать −80 единиц заряда электрона.

В общем случае эффективные заряды компонентов зависят от состава расплава и температуры. При изменении концентраций компонентов бинарного расплава иногда наблюдается инверсия Э. Так, в сплаве Na-K при содержании Na более 48% по массе Na движется к аноду, К — к катоду. При меньшем содержании Na направления движения компонентов меняются. Температура обычно слабо влияет на эффективные заряды.

Известен также дырочный ветер — увлечение ионов и атомов дырками (вакансиями в зоне электронов проводимости).

В твердых металлах, в отличие от жидких, Э. в осн. подвергаются ионы и атомы в активир. состоянии. Известен также Э. (самоперенос) в твердых чистых металлах — направленное движение ионов при пропускании через металл постоянного тока.

Э. используют в полупром. масштабах для глубокой очистки металлов (Ga, In, РЗЭ) в жидкой фазе. Для РЗЭ Э. в твердом состоянии — осн. метод очистки, т. к. РЗЭ реагируют. со всеми газами, кроме благородных, и здесь недоступны традиц. методы очистки, особенно от примесей кислорода, азота и углерода. Э. применяют для выращивания монокристаллов и эпитаксиальных слоев полупроводниковых соед., напр. GaAs (электроэпитаксия). Э. в твердой фазе — одна из причин отказов полупроводниковых приборов и электронных устройств, работающих при высоких плотностях тока. Изучение закономерностей Э. позволяет сильно увеличить срок службы этих приборов. В области Э. можно ожидать новых открытий, особенно в случаях Э. на границе твердых и жидких фаз, при фазовых переходах. Об этом свидетельствует факт аномально высокой подвижности примесей при зонной плавке и резании металлов (эффект Бобровского).

Явление Э. открыл М. Жирардин в 1861.

^{Лит.: Фикс В. Б., Ионная проводимость в металлах и полупроводниках, М., 1969; Бобровский В. А., Электродиффузионный износ инструмента, М., 1970; Белащенко Д. К., Исследование расплавов методом электропереноса, М., 1974; Михайлов В.А., Богданова Д. Д., Электроперенос в жидких металлах, Новосиб., 1978; Кузьменко П. П., Электроперенос, термоперенос и диффузия в металлах, К., 1983; Фикс В. Б., "Природа", 1986, № 6, с. 88–97; Fort D., "J. less-common metals", 1987, v. 134, p. 45–65.}

_{С. И. Дракин, В. А. Михайлов}