«Поверхностная ионизация»

термическая Десорбция (испарение) положительных (положительная П. и.) или отрицательных (отрицательная П. и.) ионов с поверхностей твёрдых тел. Чтобы эмиссия ионов при П. и. была стационарной, скорость поступления на поверхность соответствующих ионам атомов, молекул или радикалов (См. Радикалы свободные) (за счёт диффузии (См. Диффузия) этих частиц из объёма тела или протекающей одновременно с П. и. адсорбции (См. Адсорбция)) должна равняться суммарной скорости десорбции ионов и нейтральных частиц. П. и. происходит и при собственном испарении твёрдых тел, например тугоплавких металлов.

Количественной характеристикой П. и. служит степень П. и. α= ν_i/ν₀, где ν_i и ν₀ — потоки одновременно десорбируемых одинаковых по химическому составу ионов и нейтральных частиц. ν_i = CNexp (—l_i/kT), a ν₀ = DNexp(—l₀/k T), здесь k — Больцмана постоянная, T — абсолютная температура поверхности, l_iиl₀ — теплоты десорбции в ионном и нейтральном состояниях, N— концентрация частиц данного сорта на поверхности, а коэффициенты С и D слабо (в сравнении с экспонентами) зависят от Т. Отсюда

α =

Взаимодействие частиц с поверхностями отображают кривыми типа показанной на рис. 1. Переход с кривой для нейтральных частиц А на кривую для ионов А⁺ на расстоянии х → ∞ от поверхности соответствует ионизации (См. Ионизация) частицы с переводом освободившегося электрона в твёрдое тело. Требуемая для этого энергия равна e (V—φ); V — Ионизационный потенциал частицы, еφ — Работа выхода тела, е — заряд электрона. Выражение α через эти величины приводит к Ленгмюра — Саха уравнению (См. Ленгмюра - Саха уравнение), причём для положительной П. и. (l_i+ — l₀) = e(V —φ), а для отрицательной П. и. (l_i- — l₀) = е(φ—S), где eS— энергия сродства к электрону (См. Сродство к электрону) частицы. П. и. наиболее эффективна (α велико) для частиц с l_il₀ или φ>V и S>φ; α для них уменьшается с ростом Т. При обратных неравенствах П. и. усиливается с возрастанием Т (рис. 2). l_i и l₀ зависят от N — обычно l_iрастет, а l₀падает с увеличением N. Если при Т>Т₀ соблюдается условие эффективной П. и. (l_il₀и ν_i >> ν₀), то при Т = Т₀знак (l₀ — l_i) меняется, а α начинает скачкообразно падать до малых значений. Т₀ называется температурным порогом П. и.

Внешнее электрическое поле Е, ускоряющее ионы с поверхности, снижает величину l_i. При E10⁷ в/см это снижение Δl = е^-4(E должно быть выражено в в/см). Соответственно растет α. Если l_il₀ и ν_I > ν₀, Е при стационарной П. и. уменьшает N и T₀. Так, T₀ для атомов Cs на W с 1000 К при Е=10⁴ в/см снижается до 300 °K при Е= 10⁷в/см. Это даёт основание рассматривать явления десорбции и испарения ионов электрическим полем при низких Т как П. и. Современная экспериментальная техника позволяет наблюдать П. и. частиц с V≤10в и S ≥0.6в. С помощью электрического поля эти пределы могут быть существенно расширены.

Приведённые выше закономерности П. и. справедливы (подтверждены опытом) для однородных поверхностей. Однако на практике чаще приходится иметь дело с неоднородными поверхностями. на которых l₀, l_i, φ и N неодинаковы на различных участках. В таких случаях указанные зависимости α от Т и Есохраняются для некоторых усреднённых значений l₀, l_i и φ.

П. и. широко используется в ионных источниках (См. Ионный источник) различного назначения, в чувствительных детекторах частиц, для компенсации объёмного заряда электронов в термоэлектронных преобразователях (См. Термоэлектронный преобразователь), перспективна для создания плазменных двигателей (См. Плазменные двигатели), а также лежит в основе многих методов изучения физико-химических характеристик поверхностей твёрдых тел и взаимодействующих с ними частиц.

Лит.: Зандберг Э. Я., Ионов Н. И., Поверхностная ионизация, М,, 1969.

Н. И. Ионов.

Рис. 1. Потенциальные кривые взаимодействия систем поверхность твёрдого тела — нейтральная частица (А) и поверхность — положительный ион (А⁺); х — удаление от поверхности; U(x) — энергия связи частицы с поверхностью. Расстояние х_р соответствует равновесному состоянию частицы у поверхности, а глубины «потенциальных ям» l_i и l₀ равны теплотам десорбции иона и нейтральной частицы соответственно. Разность l_i—l₀ в данном случае равна разности энергии ионизации eV нейтральной частицы (V — её ионизационный потенциал, е — заряд электрона) и работы выхода поверхности eφ.

Рис. 2. Характерные зависимости степени поверхностной ионизации α в стационарных процессах от температуры T: 1 — для случая, когда теплота десорбции иона l_i, меньше теплоты десорбции нейтральной частицы l₀; 2 — в случае, когда l_i>l₀. T₀ — температурный порог поверхностной ионизации.

surface ionization

surface ionization

ПОВЕРХНОСТНАЯ ИОНИЗАЦИЯ

термич. десорбция (испарение) положительных (положит. П. и.) или отрицательных (отрицат. П. и.) ионов с поверхностей тв. тел. Чтобы эмиссия ионов при П. и. была стационарной, скорость поступления на поверхность соответствующих атомов, молекул или радикалов (за счёт диффузии этих ч-ц из объёма тела или протекающей одновременно с П. и. адсорбции ч-ц из газовой фазы) должна равняться суммарной скорости десорбции ионов и нейтральных ч-ц. П. и. происходит и при собств. испарении тв. тел, напр. тугоплавких металлов.

Количеств. хар-кой П. и. служит степень П. и. a=ni/n0, где ni; и n0— потоки одновременно десорбируемых одинаковых по хим. составу ионов и нейтральных ч-ц (см. ЛЕНГМЮРА — САХА УРАВНЕНИЕ). Характер вз-ствия ч-ц с поверхностями представляют обычно в форме потенциальных кривых системы поверхность тв. тела — ч-ца, выражающих зависимость энергии связи ч-цы с поверхностью V(х). от расстояния х между ними. На рис. 1 такие кривые, схематически изображены для нейтральной ч-цы А и положит. иона Аi. Расстояние хр соответствует равновесному состоянию ч-цы у поверхности, а глубины «потенциальных ям» li и l0 равны теплотам десорбции положит. иона и нейтральной ч-цы соответственно. Переход с кривой А на кривую А; на расстоянии х®? от поверхности соответствует ионизации ч-цы с переводом освободившегося эл-на в тв. тело. Необходимая для этого энергия равна e(Ui-j); Ui — ионизационный потенциал ч-цы,

ej — работа выхода; е — заряд эл-на. Из рис. 1 непосредственно следует, что для положит. П. и. разность теплот десорбции в ионном и нейтральном состояниях (1i+-l0)=e(Ui-j). Аналогично для П. и. с образованием отрицат. иона (li--l0)=e(j-c), где ec — энергия сродства к электрону ч-цы.

Рис. 2. Характерные зависимости коэфф. поверхностной ионизации b (по оси ординат) в стационарных процессах от темп-ры Т.

П. и. наиболее эффективна для ч-ц с liUi или c>j. Коэфф. П. п. b=a/(1+a) для них уменьшается с ростом абс. темп-ры десорбции Т (рис. 2, кривая 1). При обратных неравенствах величина b увеличивается с возрастанием Т (рис. 2, кривая 2). Если при Т>Т0 соблюдается условие эффективной П. и. (lin0), то при Т= Т0 знак (l0-li) меняется, а b начинает скачкообразно падать до малых значений. Т0 наз. температурным порогом П. и.

Внеш. электрич. поле Е, ускоряющее поверхностные ионы, снижает величину li. При E<107 В/см это снижение Dli=е?еE=3,8
• 10-4?E эВ(Е должно быть выражено в В/см). Соответственно растёт а. Если lin0, то при стационарной П. и. внеш. поле Е уменьшает температурный порог ионизации Т0. Так, напр., для атомов Cs на W Т0 с 1000 К при E=104 В/см снижается до 300 К при E=107 В/см. Это даёт основание рассматривать явления десорбции и испарения ионов электрич. полем при низких Т как П. и. Совр. эксперим. техника позволяет наблюдать П. и. ч-ц с Ui?10 В и c?0,6 В. С помощью электрич. поля эти пределы могут быть расширены.

Приведённые выше закономерности П. и. справедливы (подтверждены опытом) для однородных поверхностей. Однако на практике чаще приходится иметь дело с неоднородными поверхностями, на к-рых количеств. хар-ки неодинаковы на разл. участках. В таких случаях указанные зависимости b от Т и Е сохраняются для нек-рых усреднённых значений l0, li и j. П. и. используется в ионных источниках, в чувствит. детекторах ч-ц, в термоэлектронных преобразователях (для компенсации пространств. заряда эл-нов). П. и. перспективна для разработки плазменных двигателей, а также лежит в основе мн. методов изучения физ.-хим. хар-к поверхностей тв. тел и взаимодействующих с ними ч-ц.

surface ionization

* * *

surface ionisation

ionizzazione superficiale

поверхне́ва йоніза́ція

поверхне́ва йоніза́ція