Ионно-ионная эмиссия

Ионно-ионная эмиссия или вторичная ионная эмиссия — явления испускания с поверхности конденсированной среды ионов при её бомбардировке другими ионами.

Описание явления

При бомбардировке происходит распыление вещества с поверхности. Ионизация распылённых частиц может происходить как в процессе распыления, так и после — в результате электронного обмена. Образующиеся при эмиссии ионы могут быть как отрицательно так и положительно заряженными и находиться как в основном, так и в возбуждённом состояниях. В пучке могут присутствовать многозарядные ионы, а также молекулярные ионы (например, при бомбардировке металла в атмосфере кислорода возможно образование ионов оксида металла и оксида бомбардирующего элемента). Кроме того, наблюдается образование кластерных ионов, то есть заряженные скопления большого количества атомов (например, $W_{34}^+$).

Эффективность эмиссии

Для характеристики эффективности ионно-ионной эмиссии использует величины $S^{\pm}$, равные отношению потока вторичных ионов данного типа к потоку первичных ионов. Для повышения величины $S^+$ используют электроотрицательные газы (например, в присутствии кислорода $S^+$ увеличивается на несколько порядков). В то же время для многозарядных ионов и ионных кластеров зависимость эффективности эмиссии от давления электроотрицательного газа может быть более сложной, иметь максимумы и минимумы. Аналогично электроположительные газы (например, цезия) увеличивают эффективность эмиссии отрицательных ионов.

Ионно-ионная эмиссия носит пороговый характер по отношению к энергии бомбардирующих ионов: при малых энергиях эмиссия отсутствует. Для начала эмиссии обычно необходима энергия порядка нескольких десятков эВ. С ростом энергии ионов эффективность эмиссии растёт.

Эффективность эмиссии зависит также от угла бомбардировки. Для монокристаллических мишеней эта зависимость немонотонна. $S^+$ достигает минимума для таких углов, для которых направление падения ионов совпадает с направлением низкоиндексных кристаллографических осей.

Коэффициент $S^+$ растёт с увеличением массы бомбардирующих ионов, за исключением тех ионов, которые химически активны по отношению к элементам мишени. В то же время $S^+$ немонотонно убывает с ростом массы атомов мишени и увеличивается с уменьшением их потенциала ионизации.

Зависимость $S^+$ от температуры мишени носит сложный немонотонный характер. Особо существенные изменения наблюдаются при фазовых переходах.

Теория явления

Выделяют две основных теории ионно-ионной эмиссии. Согласно первой из них, в основе явления лежит кинематический механизм: ион (или возбуждённая частица) образуется в результате каскада межатомных столкновений, а ионизация объясняется оже-эффектом. Согласно второй теории, ионизация испущенной частицы происходит в результате электронного обмена с поверхностью мишени.

Обменная теория даёт следующее выражение для вероятности ионизации:

$R^+ = 2\pi\exp\left[-\pi\frac{I-\Phi}{2\gamma\pi cv}\cos\vartheta\right]$

где $I$ — энергия ионизации распыляемой частицы, $\Phi$ — работа выхода материала мишени, $v$ — скорость первичной частицы, $\vartheta$ — угол между направлением $v$ и нормалью к поверхности, $\gamma$ — величина, характеризующая протяжённость взаимодействия атома с поверхностью (обычно эта велина порядка 0,1 нм), коэффициент $c>1$ характеризует уменьшение разности $(I - \Phi)$ за счёт сил электрического изображения. Для отрицательно заряженных ионов выражение для вероятности ионизации аналогично с заменой $(I - \Phi)$ на $(\Phi-A)$, где $A$ — энергия сродства к электрону.

Использование

Ионно-ионная эмиссия используется в так называемой вторично-ионной масс-спектроскопии для исследования состава и структуры поверхности твёрдого тела и распределения элементов по его глубине.

Литература

• В. Е. Юрасова Ионно-ионная эмиссия // Физическая энциклопедия / Д. М. Алексеев, А. М. Балдин, А. М. Бонч-Бруевич, А. С. Боровик-Романов, Б. К. Вайнштейн, С. В. Вонсовский, А. В. Гапонов-Грехов, С. С. Герштейн, И. И. Гуревич, А. А. Гусев, М. А. Ельяшевич, М. Е. Жаботинский, Д. Н. Зубарев, Б. Б. Кадомцев, И. С. Шапиро, Д. В. Ширков; под общ. ред. А. М. Прохорова. — М.: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2. — С. 200—201. — 704 с.