3. Униполярная проводимость

Исследования И. В. Курчатова по электрическим свойствам диэлектриков можно считать прелюдией к серии работ по сегнетоэлектричеству, принесших ему и его коллеге и товарищу, Павлу Павловичу Кобеко, мировую известность. Однако прежде чем перейти к их обзору, остановимся на некоторых других работах Игоря Васильевича по физике диэлектриков и полупроводников.

Первая такая работа [27], совместная с Кобеко, как и большинство других в 1927-1933 гг., возникла в процессе критического пересмотра, столь характерного для Курчатова, данных исследования немецкого физика Трея [28] по униполярной проводимости AgI и Ag₂S. Детекти-ующие свойства образцов, спрессованных из порошков, е зависели от расположения точек контакта с электродом в виде острия (вопрос о возможности подобной избирательности представлялся естественным во времена детекторных радиоприемников). Измерения Кобеко и Курчатова, выполненные с использованием зондов Иоффе, показали, что в образце происходит образование непроводящих слоев йода или соответственно серы в прианодной области и что наблюдавшееся убывание тока во времени связано с возрастанием сопротивления образцов. Таким образом, униполярность определялась геометрией обоих электродов (острия и пластины) и соответствующим различием в скорости падения тока со временем. Последнее обстоятельство нашло отражение и во временном ходе коэффициента выпрямления.

Авторы [27] указали в заключение, что наблюдавшееся Треем явление униполярной проводимости, неправильно истолкованное им в терминах подвижности ионов, участвующих в процессах электролитической проводимости при повышенных температурах, характерно не только для изученных им образцов AgI и Ag₂S, но проявляется при температурах порядка 300 °С у целого ряда других веществ - в стекле, слюде, Na₂B₄О₇, Li₂B₄О₇, К₂В₄О₇. Во всех этих диэлектриках при подаче напряжения осуществляется образование изолирующих слоев в приэлектродной области - процесс, названный Кобеко и Курчатовым формовкой (впервые он наблюдался, как уже отмечалось, Варбургом на примере стекла). Подобное расширение области проявления того или иного эффекта, своеобразное его обобщение, очень характерно для стиля работы Курчатова.

Этим же проблемам посвящена более подробная статья Кобеко, Курчатова и Синельникова [16], в которой объектом исследования была униполярная проводимость образцов из порошкообразных CuS и Gu₂S (сернистые соединения меди - полупроводники). Рассматриваемая работа является, вероятно, первым у нас в стране исследованием в области физики полупроводников. Прежде всего авторы доказали, что в условиях опыта в электропроводности принимают участие ионы меди: закон Фарадея, хотя и не точно, но соблюдался. Эффект униполярности не зависел от материала электродов, если один из них был плоским, а другой - острием (в соответствии с результатом предыдущей статьи). Однако униполярность была зафиксирована и в том случае, когда оба электрода были плоскими, при этом один из них обязательно должен быть алюминиевым. Авторы предположили, что и в этом случае имеет место резкая разница в величинах поверхностей контактов электродов с изучаемым образцом.^*

^* (Просматривая эту статью, легко установить ее генетическую связь с бакинской работой И. В. Курчатова и 3. Е. Лобановой [11 ].)

Другим фактором, который определял униполярную проводимость, было образование металлических нитей в диэлектрическом кристалле. Дело в том, что отложение металла в процессе электролитической проводимости некоторых твердых тел происходит неравномерно по всей поверхности, а в виде тонких нитей, прорастающих сквозь испытуемый образец. На положительное острие такие нити (мостики) прорасти не успевают, так как на нем очень быстро образуется формовочный изолирующий слой. Когда же анодом является электрод большой площади, происходит быстрое прорастание нитей. Таким образом, и этот эффект приводит к униполярности: по металлическим нитям протекает электронный ток. Закон Фарадея при этом не проявляется, так как проводимость практически сразу же перестает быть "электролитической".

Совокупность металлических нитей-мостиков, прорастающих в кристалле по выделенным направлениям его решетки, напоминает дерево. Поэтому такого рода эффект получил название дендритного, а проводимость - дендритной. В более поздних работах, выполненных в стенах Украинского физико-технического института в Харькове И. В. Курчатовым и его коллегами (А. К. Вальтером, К. Д. Синельниковым и О. Н. Трапезниковой), этот эффект подвергся тщательному изучению [29, 30]. При этом авторами были сделаны впечатляющие снимки пронизывающих кристалл металлических нитей.

В задачу авторов [16] входило доказательство адекватности описанной выше "формовочно-дендритной" модели эффекта униполярности. Дополнительными опытами и изучением шлифов алюминиевого электрода было показано, что лишь 5% его поверхности имеет контакт с образцами из CuS и Cu₂S, а равно и с некоторыми другими специально изучавшимися металлами, в том числе с медью. Это было объяснено тем, что большая часть поверхности контакта покрыта тонкой пленкой окисла.

На основе электрических измерений было установлено, что при положительном потенциале на обоих электродах происходит отложение слоя серы (так называемая формовка), причем, когда анодом был алюминиевый электрод, отложение слоя серы заканчивалось быстро - именно из-за небольшой эффективной площади контакта. Процессы формирования и распада приэлектродного изолирующего слоя серы, а также роста дендритов подробно исследовались с применением импульсной методики подачи напряжения на образцы.^*

^* (В рассматриваемой работе импульсы напряжения формировались отнюдь не с помощью радиотехнической схемы, а с использованием имевшего в те годы распространение сложного устройства - механического генератора импульсов, так называемого маятника Гельмгольда.)

Авторы [16] провели контрольные опыты с кристаллами CaF₂, в которых о прорастании дендритов можно было судить как визуально (кристаллы приобретали фиолетовую окраску), так и с помощью тех же "электрических" методик, которые были использованы для суждения о росте и распаде дендритов в случае CuS и Gu₂S; результаты при этом совпадали.

Дендритной модели выпрямления противостояла модель Шоттки, который предположил, что детектирующие свойства сернистых солей при наличии алюминиевого электрода определялись автоэлектронной эмиссией с острий - мест контакта с не покрытыми окислом частями плоского алюминиевого электрода. Специальными и остроумными опытами авторы опровергли эту гипотезу немецкого физика.

Если в установившемся режиме при разных знаках напряжения на алюминиевом аноде коэффициент выпрямления (униполярности) был равен примерно 103, то на обычном переменном токе эта величина составляла 15-20. Следует, однако, сказать, что "электролитические выпрямители", очень своеобразная физика которых была подробно изучена в ЛФТИ, в основном в работах Кобеко, Курчатова и Синельникова, уступали селеновым и купроксным выпрямителям. Как раз в рассматриваемое время этот тип выпрямителей начал выпускаться отечественной промышленностью. Поэтому Курчатов более не обращался к физическим и техническим проблемам, рассмотренным в [16], и на последнем этапе своих исследований по электрическим свойствам твердых тел выполнил несколько работ по вентильным фотоэлементам на основе Cu₂О, интересуясь в основном их спектральными характеристиками. Однако следует специально отметить, что именно Курчатову было поручено прочесть обзорный доклад на эту тему, который был подготовлен совместно с Синельниковым и позднее опубликован [31]. Как всегда, он досконально изучил литературу вопроса, поэтому современный читатель найдет в обзоре много необычайно интересных исторических сведений, относящихся к работам, выполненным еще в конце прошлого века. В обзор вошли и описанные выше работы ленинградской группы, правда, "электролитическим" вентилям отведено относительно немного места.