Інжекція

Інжекція - Процес безперервного змішування двох потоків речовин і передачі енергії інжектуючого (робочого) потоку інжектованому з метою його нагнітання в різні апарати, резервуари і трубопроводи. Змішувані потоки можуть знаходитися в газовій, паровій та рідкій фазах і бути різнофазними, однофазними та змінних фаз (напр., пароводяні). Струминні апарати (насоси), які застосовуються для інжекції називаються інжекторами. Змішування робочого та інжектованого потоків з різними швидкостями супроводжується значною втратою кінетичної енергії на удар і перетворення її в теплову, вирівнюванням швидкостей, підвищенням тиску інжектованого потоку.

Інжекції носіїв заряду

Інжекції носіїв заряду - збільшення концентрації носіїв заряду в напівпровіднику (діелектрику) в результаті переносу носіїв струмом з областей з підвищ. концентрацією (металліч. контактів, гетеропереходів) під дією зовн. електричні. поля. І. н. з. призводить до порушення термодінаміч. рівноваги електронної системи в напівпровіднику. Інжектованих носіїв зазвичай термалізуются за час, мале в порівнянні з часом життя носіїв, так що порушеним виявляється лише концентраційне рівновагу (див. Квазіуровні Фермі). Інжекція осн. носіїв відбувається, напр., при подачі зворотного зсуву на р-n-перехід, якщо у катода є шар, збагачений осн. носіями (див. Контактні явища в напівпровідниках). При цьому у зразку з'являється просторів, заряд, що перешкоджає подальшому надходженню носіїв зі збагаченого шару. Щільність j стаціонарного струму визначається умовою, що падіння напруги всередині зразка, обумовлене просторів, зарядом, врівноважується зовн. напругою U (закон Мотта):

[math]i=\tfrac{9}{8}\times \tfrac{\mathop{\sigma }_{0}\times \tau \times \mu \times \mathop{U}^{2}}{\mathop{L}^{3}}[/math]

Тут σ0 - електропровідність зразка в. відсутність І. н. з., μ - рухливість інжектованих носіїв, τ = e/4ps0 - час релаксації, е - діелектріч. проникність, L - довжина зразка у напрямку струму. Лінійний закон Ома переходить в квадратичний закон Мотта при tпр ~ t, де tпр = L2/mU - час прольоту носіїв між електродами. При великому доданому напрузі (1) знову переходить до закону Ома, але з набагато більшою електропровідністю. При цьому зразок заповнюється інжектованих носіїв з практично постійною за обсягом концентрацією, рівною граничної концентрації nгр в збагаченому шарі за відсутності струму. Встановлення омічного режиму відбувається, коли tпp стає порівнянним з t = e/4pеmnгр. При наявності у зразку т. н. пасток (див. Захоплення носіїв заряду) з концентрацією, що перевищує концентрацію осн. носіїв, інжектованих носіїв спочатку майже всі захоплюються пастками і концентрація носіїв у зразку практично не збільшується. Це призводить до подовження першого омічного ділянки вольт-амперної характеристики (ВАХ) та різкого стрибка в кінці його (заповнення всіх пасток), за до-рим слід квадратичний ділянку ВАХ. Подвійна (біполярна) інжекція осн. носіїв виникає, коли електрони і дірки инжектируются з протилежних електродів і рухаються назустріч. Т. оскільки вони можуть нейтралізувати один одного, то струм обмежується лише рекомбінацією носіїв заряду і зазвичай набагато більше струму монополярной І. н. з. в тому ж кристалі. Захоплення носіїв пастками при подвійний інжекції може призводити до появи негативного диференціального опору (S-образної ВАХ). Інжекція неосновних носіїв відбувається при подачі прямого зміщення на р-n-nереход, гетероперехід або контакт метал - напівпровідник внаслідок зменшення різниці потенціалів на контакті. Інжектованих неосновні носії проникають в напівпровідник на глибину, яка визначається рекомбінацією; вона по порядку величини співпадає з дифузійної довжиною в слабких зовн. полях і з дрейфовой довжиною (див. Дрейф носіїв заряду) в сильних полях. Інжекція неосновних носіїв лежить в основі дії напівпровідникового діода, транзистора та ін напівпровідникових приладів. Вивчення стаціонарних і перехідних процесів І. н. з. дозволяє дослідити рухливості носіїв, а також визначити концентрації, енергетичних. положення та перетини захоплення домішкових центрів в високоомних напівпровідниках і діелектриках. Проходження інжекційних струмів є одним з механізмів переносу заряду в тонких діелектріч. плівках. Літ.: Ламперт М., Марк П., Інжекційні струми в твердих тілах, пров. з англ., М., 1973; Бонч-Бруєвич В. Л., Калашников С. Г., Фізика напівпровідників, М., 1977; Адіровіч Е. І., Карагеоргія-Алкалаев П. М., Лейдерман А. К) ., Токи подвійний інжекції в напівпровідниках, М., 1978. Е. М. Епштейн.

Продемонстрована ефективна інжекція спінів у графен

Схема контакту. Стрілкою показано напрямок протікання струму.

Співробітники Каліфорнійського університету в Ріверсайді знайшли можливість різко збільшити ефективність інжекції спін-поляризованих електронів в графен.

Графен вважається перспективним матеріалом спінтроніки, в якій своє практичне застосування знайдуть і заряд, і спін електрона. «При кімнатній температурі він демонструє прекрасні характеристики спінового транспорту, - говорить один з авторів дослідження Роланд Кавакамі (Roland Kawakami). - Але реалізувати його потенціал ми поки не можемо: спочатку необхідно вирішити дві головні проблеми. По-перше, вимірюваний час життя спина [час, протягом якого напрямок спина не змінюється] дуже сильно - на порядки - відрізняється від мікросекундних значень, передбачаються теоретично. По-друге, інжекція спінів з феромагнітного електрода в графен малоефективна ». Останнє пояснюється тим, що провідність металевого електрода не відповідає провідності графену.

Схематичне представлення інжекції спінів.

Американські фізики обійшли цю проблему методами так званої тунельної інжекції; тут, як можна здогадатися, між графеном і електродом створюється ізолюючий шар. Основне завдання, отже, полягає у формуванні рівного шару діелектрика потрібної товщини, що у разі графена зробити досить складно. Дослідникам довелося спочатку нанести тонкий титанове покриття, а потім перетворити титан в ізолюючий діоксид TiO2. На такому «фундаменті» був створений необхідний 0,8-нанометровий шар оксиду магнію MgO, після чого зверху все закрили кобальтові електродом товщиною 80 нм.

Ефективність тунельної інжекції підтримується за рахунок того, що зворотний рух електронів - від графена до електрода - блокується. «Діелектрик допомагає утримувати інжектованих спін в графені, що і дає рекордно високі значення ефективності», - додає пан Кавакамі.

Вчені також виявили цікавий ефект, пов'язаний з виміром часу життя спина. Зазвичай, пояснює Роланд Кавакамі, в такого роду експериментах використовується розміщується прямо на графені феромагнітний «детектор»; коли фізики створили ізолюючий бар'єр між ним і вуглецевим матеріалом, визначається час життя зросла приблизно до 500 пс (за типове значення тут можна прийняти 100 пс). «Виходить, стандартна методика вимірювань сильно занижує час життя спина, - коментує інший учасник дослідження Вей Хань (Wei Han). - Це, мабуть, навіть добре: тепер досвідчені дані буде легше погодити з теорією ».

Основні відомості

Явище інжекції відомо з 16 ст. З початку 19 ст. процес інжекції отримав промислове використання для посилення тяги в димарях паровозів.

Основи теорії інжекції були закладені в роботах німецького вченого Г. Цейнера і англійського вченого У. Дж. М. Ранкіна в 70-і рр.. 19 в. У СРСР, починаючи з 1918, значний внесок у розвиток теорії і практики інжекції внесли А. Я. Міловіч, Н. І. Гальперін С. А. Християнович, Є. Я. Соколов, П. М. Каменєв та ін Змішання робочого і інжектіруемого потоків з різними швидкостями супроводжується значною втратою кінетичної енергії на удар і перетворенням її в теплову, вирівнюванням швидкостей, підвищенням тиску інжектіруемого потоку. Інжекція описується законами збереження енергії, маси і імпульсів. При цьому втрата енергії на удар пропорційна квадрату різниці швидкостей потоків на початку змішування. При необхідності швидкого і ретельного перемішування двох однорідних середовищ масова швидкість робочого потоку повинна перевищувати масову швидкість інжектіруемого в 2-3 рази. У деяких випадках при інжекції поряд з гідродинамічним відбувається і термічний процес з передачею робочим потоком інжектіруемому теплової енергії, наприклад при нагріванні рідин пором з інтенсивним перемішуванням середовищ - рідини і конденсату.

Принцип інжекції полягає в тому, що тиск Р1 і середня лінійна швидкість и1 інжектується (робочого) потоку газу або рідини, що рухається по трубі, у звуженому перетині змінюються. Швидкість потоку зростає (і2> и1), тиск (Р2 <Р1) падає, тобто зростання кінетичної енергії потоку супроводжується зменшенням його потенційної енергії. При падінні тиску Р2 нижче тиску Р0 в звужену частину труби засмоктується інжектіруемая середовище, яке за рахунок поверхневого тертя захоплюється робочим потоком і змішується з ним. При подальшому русі суміші по трубі з розширюється перетином зменшення швидкості потоку до 3 і його кінетичної енергії супроводжується наростанням потенційної енергії і тиску до величини Р3, причому Р2 <Р0 <Р3 <Р1. Таким чином, в результаті Інжекційне тиск інжектіруемой середовища зростає від Р0 до Р3 за рахунок падіння тиску робочого потоку від Р1 до Р3, а тиск змішаного потоку набуває проміжне значення.

При інжекції з мінливих фазністю середовищ, наприклад з конденсацією робочого пара від зіткнення з холодною інжектіруемой рідиною, можна створювати тиск змішаного потоку, що перевищує тиск робочого потоку. У цьому випадку робота, що витрачається на інжекції, відбувається не тільки енергією струменя, але і зовнішнім тиском при скороченні обсягу конденсирующегося робочого пара, а також за рахунок перетворення його теплової енергії в потенційну енергію змішаного потоку. У порівнянні з механічними способами змішування, нагрівання, стиснення і нагнітання різних середовищ інжекція відрізняється простотою, однак вимагає в 2-3 рази великих витрат енергії. Про застосування інжекції див. у статті Інжектор.