электронный ветер

ЭЛЕКТРОННЫЙ ВЕТЕР -эффект "увлечения" электрич. током в электронных проводниках (металлах или полупроводниках) собств. ионов и разл. дефектов структуры: примесных атомов или ионов, междоузлий, вакансий, дислокаций и т. п. Э. в. связан с нарушением локального механич. равновесия металла в электрич. поле и с перераспределением импульса между электронами проводимости и ионной решёткой (примером ещё одного эффекта такого типа является возбуждение звука в металле эл--магн. волной).

Электрич. поле в электронном проводнике вызывает не только поток электронов, но и перемещение собств. или примесных ионов (электролиз). Существуют две причины движения ионов под действием электрич. поля: кулонов-ская сила, действующая на их заряды Z, и т. н. сила Э. в., возникающая вследствие передачи импульса ионам при рассеянии на них электронов проводимости. Неоднородное поле деформаций, окружающее дислокации, также рассеивает электроны проводимости, благодаря чему происходит увлечение дислокаций направленным потоком электронов и возникает коллективное перемещение ионного остова - движение дислокаций и соответствующая пла-стич. деформация (э л е к т р о п л а с т и ч е с к и й э ф ф е к т).

Механизм перемещения ионов в металле под действием электрич. поля практически всегда является диффузионным: это диффузионные скачки отд. ионов и термически активированное перемещение дислокаций через различные барьеры. Но силы, вызывающие направленный дрейф ионов и дислокаций, обусловлены гл. обр. эффектом Э. в.

Увлечение ионов и дислокаций. Полная сила F, действующая на отд. ион в металле во внеш. электрич. поле E, состоит из двух компонент:

Здесь Z_i - собств. заряд иона; 1-е слагаемое в (1) описывает кулоновскую силу; 2-е слагаемое F_ei возникает вследствие рассеяния носителей заряда на ионе, т. е. представляет собой силу Э. в. В рамках линейной теории электропроводности сила F_ei пропорциональна плотности электронного тока, а вместе с ней и напряжённости поля E. Это позволяет ввести т.н. з а р я д у в л е ч е н и я Z_ei=F_ei/E и эфф. заряд Z_i* иона:

При учёте анизотропии закона дисперсии электронов (р)заряд увлечения Z_ei из скалярной величины превращается в тензор 2-го ранга и ф-ла (2) имеет вид F_k = Z*_ksE_s (k и s - координатные индексы).

Для примесных ионов в обычных металлах, как правило, Z_ei>>Z_i т.е. действие Э. в. значительно превосходит прямое действие электрич. поля. Величина и знак заряда увлечения Z_ei существенно зависят от энергетич. спектра электронов проводимости и их динамики: в частности, знак Z_ei . определяется знаком эффективной массы носителей m = (d²/dp²)_F, где (p) - закон дисперсии электрона в зоне проводимости (значение производной берётся на фермы-поверхности F). Последнее означает, что электроны с т>0 и дырки с т<0 увлекают ионы в разл. стороны относительно направления поля E.

В общем случае металла со сложной поверхностью Ферми, содержащей как электронные, так и дырочные полости (листы), для заряда увлечения справедливо выражение

Здесь е - заряд электрона, n - концентрация носителей, s_i - транспортное сечение рассеяния носителей на ионе, l-длина свободного пробега носителей, определяющая полную проводимость металла; индексы "э" и "д" означают, что соответствующие параметры относятся к электронам и дыркам. При высоких темп-pax, необходимых для наблюдения эффектов диффузионного переноса массы под действием Э. в., длина пробега l, как правило, определяется столкновением носителей с фононами. Из ф-л (2) и (3) следует, что в зависимости от соотношений между параметрами металла и примесей возможно увлечение примесей как к аноду, так и к катоду; напр., электронный перенос примесей можно наблюдать в Cu, Pb, Ni, а дырочный - в W, Mo, Со.

В приближении свободных электронов можно воспользоваться соотношениями между l, s_i и уд. электросопротивлением металла, что позволяет получить выражение для Z_ei, связывающее его с экспериментально измеримыми величинами:

Здесь Z₀ - заряд собств. иона металла; r_i - остаточное сопротивление, вносимое примесными ионами; C_i - атомная концентрация примесей; r- полное сопротивление металла. При темп-ре 900 С для примесей Zn в Cu Z_ei = 4e, для примесей Al-15е, для примесей Fe - 115е. Эти примеры показывают, что в металлах сила Э. в. вносит гл. вклад в перенос примесей. В металле с изотропным электронным спектром (квадратичный закон дисперсии) примесные ионы увлекаются к аноду.

В чистых металлах (без дефектов и примесей) также возможен перенос собств, ионов, обусловленный Э. в. Он связан с различием сечения рассеяния электронов s₀ на ионе, смещённом из положения равновесия на величину среднеквадратичной амплитуды тепловых колебаний, и сечением рассеяния s₀* на ионе, смещённом в результате большой тепловой флуктуации на величину порядка а/2(а - период решётки). Эфф. заряд такого активированного иона равен

Обычно s*₀>s₀, и в металлах с изотропным электронным спектром собств. ионы увлекаются током к аноду. Для Cu при T= 900 ⁰C Z*-10Z₀.

В полупроводниках вследствие малой концентрации носителей заряда эффект увлечения уменьшается, но сечение рассеяния электронов и дырок на ионах значительно больше, чем в металлах. Значения Z_ei , сравнимые с Z₀, реализуются в полупроводниках с большой подвижностью носителей заряда, малой диэлектрической проницаемостью и небольшой шириной запрещённой зоны (напр., InSb, InAs).

Обусловленный силой Э. в. электроперенос используется для очистки от микропримесей, при разделении изотопов, эффекты Э. в. существенно проявляются в электросварке.

Для дислокации сила Э. в. пропорциональна сечению рассеяния носителей на дислокации s_d. Этот параметр имеет размерность длины, в простых металлах s_d~b, где b - вектор Бюргерса. В приближении свободных электронов сила увлечения, отнесённая к единице длины дислокации, имеет вид

где j-плотность тока, p_F - ферми-импульс.

Электронное торможение дислокаций. Дислокация - один из немногих дефектов, способных перемещаться в кристалле с большой скоростью (верх. граница скорости дислокации - скорость поперечного звука). В таких случаях наряду с силой увлечения существует и сила торможения движущейся дислокации электронами. Для движущейся со скоростью V_d дислокации сила Э. в. описывается ф-лой

Здесь -ср. скорость дрейфа электронов, участвующих в переносе тока. Очевидно, что сила торможения существует и в отсутствие тока (=0); она пропорциональна скорости дислокации и направлена в сторону, противоположную направлению её движения.

Действие Э.в. на движущиеся дефекты в металлах со сложным электронным спектром имеет особенность: силы увлечения ионов и дислокаций электронами и дырками направлены в противоположные стороны, тогда как силы торможения разл. группами носителей имеют одинаковый знак.

Электронное торможение дислокаций играет значит. роль в кинетике пластич. деформации металлов при низких темп-pax. В частности, при переходе металла в сверхпро-водящее состояние вследствие куперовского спаривания электронов (см. Сверхпроводимость)происходит резкое уменьшение силы Э. в.: в сверхпроводнике коэф. В_е пропорционален числу нормальных возбуждений, к-рое экспоненциально убывает при темп-pax ниже темп-ры перехода. Это явление приводит к особенностям механич. свойств сверхпроводников: эффекту р а з у п р о ч н е н и я (повышения пластичности) металла при N - S-переходе и обратному эффекту при S - N-переходе; появлению специ-фич. особенностей вязкости металлов в окрестности и ниже темп-ры перехода и т. п.

Лит.: Фикс В. Б.. Ионная проводимость в металлах и полупроводниках (Электроперенос), M., 1969; Каганов M. И., Кравченко В. Я., Hацик В. Д., Электронное торможение дислокаций в металлах, "УФН", 1973, т. 111, в. 4, с. 655. В. Д. Нацик.

   <<      Предметный указатель      >>