ПОВЕРХНОСТНАЯ ИОНИЗАЦИЯ

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.

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.

ПОВЕРХНОСТНАЯ ИОНИЗАЦИЯ

- образованиеионов в процессе термич. десорбции частиц с поверхности твёрдого тела. <Путём П. и. могут образовываться положительные и отрицат. ионы (последние, <если частица обладает сродством к электрону )атомов, молекул, радикалови ассоциатов (частиц, образующихся присоединением к молекуле атома илидр. частицы). П. и. - термически равновесный процесс, испарившиеся частицыимеют больцмановское распределение по энергии с темп-рой Т распределения, <равной темп-ре твёрдого тела.
П. и. была открыта И. Ленгмюром и К. X.Кингдоном (I. Langmuir, К. Н. Kingdon, 1923), обнаружившими, что в заполненномпарами Cs цилиндрич. диоде с анодом в виде накалённой вольфрамовой проволокипротекает ток положит. ионов. Они применили Саха формулу для термич. <ионизации газа к описанию ионизации паров одноатомных веществ внутри однороднонагретой металлич. полости и нашли выражение для степени П. и.равной отношению концентраций ионов ( п ₊ )и атомов (n₀ )внутри полости:

Здесь А ₊ - отношениестатистнч. весов состояний положит, ионов и атомов; .- элементарныйзаряд; - работавыхода электрона из стенки полости; у - потенциал ионизации атома;.- темп-pa стенок полости. Ф-ла (1) наз. ф-л ой Саха - Ленгмюра. П. <и. с образованием отрицат. ионов была обнаружена позднее. В этом случае:

где s - сродство атома к электрону, А- отношение статистич. весов состояний отрпцат. ионов и атомов.
Долгое время изучали и использовали П. <и. на тугоплавких металлах атомов щелочных элементов (с наименьшими V )и атомов галогенов (с наибольшими S). В дальнейшем было установлено, <что на нагретых твёрдых телах (металлах и полупроводниках) могут ионизироватьсяатомы многих элементов, ряд молекул (в т. ч. органич. соединений), а такжечастиц, образующихся в хим. реакциях на поверхности; первичные частицысложного состава могут претерпевать реакции по многим каналам (напр., диссоциировать)и образовывать одновременно неск. видов ионов.
Для практич. использования важна П. и. <частиц на открытых поверхностях, в условиях отбора ионного тока при действиивнешних электрич. полей, ускоряющих ионы в направлении от поверхности. <При этом ионизация также может быть термически равновесной, если за времяжизни частиц на поверхности между ними и твёрдым телом устанавливаетсятепловое равновесие. В этом случае под степенью П. п. понимают отношениечисла заряж. частиц к числу нейтральных того же хим. состава в испаряющемсяпотоке частиц и применяют для нахождения соотношения статистич. термодинамики, учитывая, что ускоряющее поле уменьшаеттеплоту испарения ионов. При напряжённости поля Е у поверхности

и может быть значительно большей, чем вотсутствие поля. В случае частиц сложного состава в (3)V- первыйадиабатич. потенциал ионизации,- отношение полных статистич. сумм состояний заряженной и нейтральной частицпри темп-ре Т.
Т. к. величина характеризует зарядовое равновесие в испаряющемся потоке частиц, она независит от способа поступления частиц на поверхность: они могут поступатьиз окружающего пара, в виде атомных и молекулярных потоков, быть частицамиповерхностного слоя самого твёрдого тела или чужеродными частицами, предварительнонанесёнными на поверхность, а также объёмными примесями, диффундирующимик поверхности. В условиях теплового равновесия в слое частиц на поверхностиразличия в способах поступления частиц сказываются лишь на температурныхи временных зависимостях поступающих и испаряющихся потоков и, соответственно, <ионных токов. Сложившееся разделение термически равновесной ионизации нанагретых поверхностях на П. и. (первые два способа) и на термоионную эмиссию(остальные способы) отражает лишь различие способов транспорта первичныхчастиц к ионизирующей поверхности.
В стационарных условиях при поступлениичастиц извне поток v поступающих частиц равен испаряющемуся (v= + v₀),так что при Т- const и v = const на поверхности устанавливаетсяравновесное покрытие N(T, v) первичными частицами; потоки v₊ и v_-, и, соответственно, ионные токи постоянны во времени:

v₀ = NDexp(- l₀/kT),

где l - энергия, необходимая длядесорбции частпц. а С и D - слабо зависящие от Т множители. <Для вычисления плотностей j стац. ионных токов вводят коэф. П. и.показывающий, какая часть поступающего потока частиц ионизируется,
В случае первичных частиц сложного составаи лоток v к поверхности может превращаться в неск.(i )видоввторичных частиц в результате диссоциации, хим. реакции и т. д. Его можнопредставлять состоящим из i потоков v_i и считатьионизацию частиц каждого вида независимой. При этом v_i и v связаны соотношением v_i ( Т, Е) =g_i (Т,E)v, где - коэфф. выхода реакции на поверхности по i -му каналу. В общем случае где R - коэф. отражения первичных частиц от поверхности. Подставляя получим:

При П. и. атомных потоков R =0,=1.
Для трудноионизируемых веществ выражения (4) упрощаются (рис. 1):

Измеряя j, можно найти каждую извходящих в (5) величин. На этом основаны поверхностно-ионизационные методыисследований поверхности твёрдого тела и процессов взаимодействия частицс твёрдым телом.
В случае когда и плотность ионного тока:

Рис. 1. Зависимости j( Т )при E=const, v=const для случаев:=1 (1),возрастаетс увеличением Т (2);уменьшаетсяс увеличением T (3).

Рис. 2. Зависимости j(T )при =1 (1),возрастает с увеличением Т(2),уменьшается с увеличением Т(3).

Особенностью "лёгкой" ионизации является существование температурного порога Т ₀ (рис.2) и температурного и полевого гистерезисов вблизи Т ₀. Величина Т ₀, зависящая от теплот испарения ионов и нейтральных частиц с поверхности, <увеличивается с ростом v и уменьшается при увеличении Е. Пороговыеявления вызываются зависимостью теплоты испарения ионов и нейтральных частицот степени покрытия и от Е.
В случае при Т Т ₀ ионизируется практически каждая адсорбировавшаясячастица или каждая образованная ею вторичная частица; j слабо зависитот T и E, если = 1 или постоянна, и значит. превосходит токи, получаемые с помощью др. <видов ионизации.
В случае неоднородных поjтвёрдых тел (напр., поликристаллических) на эмиссию ионов оказывают влияниет. н. контактные поля пятен (см. Работа выхода). При их компенсациивнешним электрич. полем ионный ток равен сумме токов с отдельных пятен. <При этом в интервале Т порядка неск. сотен градусов ф-лы (4,5) сохраняютсяпри введении в них усреднённых значений А*, Из-засильной зависимости от положит. ионы трудноионизируемых веществ образуются преимущественно научастках с а отрицательные ионы - с так что при сравнимых площадях пятен В нестационарных условиях (vv₀+) покрытие N и ионный ток I изменяются со временем. Часто специально создаюттакие условия, нарушая равновесный адсорбированный слой резким изменением v, Т, или знака приложенного напряжения V. По изменению I со временем при разных Т можно найти все кинетич. параметрытермич. десорбции ионов (а в ряде случаев и нейтральных частиц), определяющиевеличины потоков частиц с поверхности: l_±,l₀, С,D, а также ср. времена жизни частиц на поверхности по отношениюк термодесорбции в виде ионов и нейтральных частиц.
П. и. - один из эфф. способов ионизации. <Она позволяет получать измеримые токи положит. ионов от частиц с V9В, <а отрицат. ионов - от частиц с S0,6В. В большом числе комбинаций частица - твёрдое тело осуществляетсялёгкая ионизация.
П. и. используется в ионных источниках, детекторах молекулярных и атомных пучков (включая селективныедетекторы и газоанализаторы органич. соединений), для компенсации объёмногозаряда электронов в разл. устройствах. П. п. позволяет исследовать мн. <физико-хим. процессы на поверхности твёрдого тела, а также свойства частици поверхности твёрдого тела. Применяются свыше 30 поверхностно-ионизационныхметодов для определений: V и S атомов, молекул и радикалов;кинетич. характеристик термодесорбции этих частиц в виде ионов и в нейтральномсостоянии; для изучения реакций на поверхности твёрдого тела; фазовых переходовв адсорбированных слоях; для определения активности катализаторов в гетерогенныхреакциях диссоциации и др. Эти методы пригодны при высоких Т и имеютбольшую чувствительность, если Существуют комбинированные методы, в к-рых П. и. сочетается с термоэлектроннойэмиссией, с электронно-стимулированной десорбцией и др.

Лит.: Зандберг Э. Я., Ионов Н. И.,Поверхностная ионизация, М., 1969; их же, Методы физико-химических исследований, <основанные на явлении поверхностной ионизации, в сб.: Проблемы современнойфизики. К 100-летию со дня рождения А. Ф. Иоффе, Л., 1980; Зандберг Э. <Я., Расулев У. X., Поверхностная ионизация органических соединений, "Успехихимии", 1982, т. 51, в. 9; Зандберг Э. Я., НазаровЭ. Г., РасулевУ. X.,Применение нестационарных процессов поверхностной ионизации в исследованияхвзаимодействия частиц с поверхностью твердого тела "Изв. АН СССР, сер. <физ.", 1985, т. 49, в. 9, с. 1666.

Э. Я. Зандберг.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.