Electron tunneling in carbon blacks

Summary

Volume and electrical resistance of a series of representative carbon blacks have been determined over a pressure range of 10–8000 p.s.i. The relation between logarithm of resistance and cube root of specific volume is linear for all blacks over the entire range investigated. The lines for furnace blacks intersect by extrapolation in a single point, corresponding to an open packing at the resistance of solid carbon, independent of the presence of particle chains. These results are incompatible with a through-going path concept of electrical conductance. It is shown that field emission and electron tunneling through gaps may account quantitatively for the observed phenomena.

The influence of particle size, porosity and structure as well as the effect of surface oxygen complexes of the blacks has been assessed. It is apparent that carbon blacks dispersed in liquid or elastomeric vehicles behave similarly as compressed carbon blacks. The latter could be considered as dispersions in air.

Zusammenfassung

Das Volumen und der elektrische Widerstand einer Reihe von repräsentativen Rußen wurden über einen Druckbereich von 10 bis 8000 psi bestimmt. Die Beziehung zwischen dem Logarithmus des Widerstandes und der Kubikwurzel des spezifischen Volumens verläuft für alle Ruße über den gesamten untersuchten Bereich linear. Die Geraden für Ofenruße schneiden sich bei Extrapolation in einem Punkt, der einer losen Packung bei dem Widerstandswert des festen Kohlenstoffes entspricht, unabhängig von der Anwesenheit von Partikelketten. Diese Ergebnisse sind unverträglich mit einem Konzept von „durchgehenden Wegen“ für die elektrische Leitung. Es wird gezeigt, daß Feldemission und Elektronen-Tunneleffekt über die Spalte quantitativ für die beobachteten Effekte verantwortlich sein könnten.

Der Einfluß der Partikelgröße, der Porosität und der Struktur wie des Effektes der Sauerstoffoberflächenkomplexe auf den Rußen wurde untersucht. Es scheint, daß Ruße, die in Flüssigkeit oder in Elastomeren dispergiert sind, sich ähnlich wie die komprimierten Ruße benehmen. Letztere lassen sich als Dispersionen in Luft betrachten.