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 в-вах, только в этих случаях электроперенос происходит значительно медленнее. Известен электроперенос изотопов в металлах (эффект Хеффнера, открыт в 1953); обычно легкий изотоп мигрирует к аноду. До сих пор электроперенос мало изучен.
Электроперенос фактически проявляется только в движении примесей, если концентрация их невелика. Характеризуется электроперенос 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 ур-нием Эйнштейна:

где D₀ - коэф. молекулярной диффузии, е - элементарный электрич. заряд, k - постоянная Больцмана, Т - абс. т-ра.
При достаточно длит. пропускании тока электроперенос 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 электропереносе весьма велика (составляет 10⁵ и более). Порядок величин и_i ионов в жидких металлах и в р-рах электролитов близок и составляет 10^-3-10^-4 см²/В х с).

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 электроперенос 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 °С= -5,5, а в щелочных металлах его может достигать -80 единиц заряда электрона.
В общем случае эффективные заряды компонентов зависят от состава расплава и т-ры. При изменении концентраций компонентов бинарного расплава иногда наблюдается инверсия электропереноса. 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. Т-ра 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, электропереносу в осн. подвергаются ионы и атомы в активир. состоянии. Известен также электроперенос (самоперенос) в твердых чистых металлах - направленное движение ионов при пропускании через металл постоянного тока.
Электроперенос используют в полупром. масштабах для глубокой очистки металлов (Ga, In, РЗЭ) в жидкой фазе. Для РЗЭ электроперенос 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. Электроперенос применяют для выращивания монокристаллов и эпитаксиальных слоев полупроводниковых соед., напр. GaAs (электроэпитаксия). электроперенос в твердой фазе - одна из причин отказов полупроводниковых приборов и электронных устройств, работающих при высоких плотностях тока. Изучение закономерностей электропереноса позволяет сильно увеличить срок службы этих приборов. В области электропереноса можно ожидать новых открытий, особенно в случаях электропереноса 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 электропереноса 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.