Контактные явления в металлах

Рассмотрим процессы, происходящие при осуществлении контакта двух метал­лов, обладающих разной работой выхода. Напомним, что под работой выхода понимают работу, затрачиваемую на то, чтобы удалить электрон, находящийся на уровне Ферми, в бесконечность.

Пусть в изолированном состоянии энергия Ферми, отсчитываемая от дна зоны проводимости, в металле А характеризуется значением , а в металле В — значени­ем (рис. 1.60, а). Работы выхода, соответственно, имеют значения и .

При осуществлении контакта таких металлов электроны металла В начинают пе­реходить на более низкие свободные уровни металла А. При этом металл А заря­жается отрицательно, а металл В — положительно. Появление этих зарядов вы­зывает смещение энергетических уровней металлов; в металле А все уровни сдвигаются вверх, а в металле В — вниз относительно своих положений в исходном состоянии. Как только непрерывно повышающийся уровень и непрерывно понижающийся уровень окажутся на одной высоте (рис. 1.60, б), процесс пе­рехода электронов из одного металла в другой прекратится и между металлами восстановится динамичное равновесие. При этом между нулевыми уровнями контактируемых металлов установится разность потенциалов

Эту разность потенциалов, обусловленную разностью работ выхода электронов из контактируемых металлов, называют внешней контактной разностью потен­циалов.

В месте контакта металлов возникает двойной электрический слой толщиной d, который можно рассматривать как плоский конденсатор, обладающий удельной емкостью . Между обкладками конденсатора действует внутренняя кон­тактная разность потенциалов . Учтем, что разность потенциа­лов φ_к между обкладками и заряд Q. на обкладках конденсатора связаны соотношением . Тогда , откуда получаем

Толщина двойного слоя d не может быть меньше периода решетки а = 0,3 нм при φ_к = 1. Такой слой может возникнуть при переходе с каждого квадратного метра метал­ла В в металл А электрического заряда, значение которого Q= 0,885*10^-11/ 0,3*10^-9 = ≈ 3*10^-2 Кл, что соответствует переходу п = Q/q = 3*10^-2/1,6*10 ^-19= 2*10¹⁷ электронов. Поверхностная плотность атомов составляет около 10¹⁹ м^-2. Полагая, что каждый поверхностный атом отдает по одному электрону, нетрудно установить, что для возникновения двойного слоя предельно малой толщины требуется пере­текание с контактной поверхности одного металла на контактную поверхность другого всего лишь 2 % свободных электронов. Столь незначительное изменение концентрации свободных электронов в контактном слое и малая толщина этого слоя по сравнению с длиной свободного пробега электронов не оказывают суще­ственного влияния на электропроводность этого слоя по сравнению с электропро­водностью контактирующих металлов.