ПОВЕРХНОСТНАЯ ИОНИЗАЦИЯ


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,
ПОВЕРХНОСТНАЯ ИОНИЗАЦИЯ1
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.
ПОВЕРХНОСТНАЯ ИОНИЗАЦИЯ2
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. . 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.15057-79.jpgравной отношению концентраций ионов ( п + )и атомов (n0 )внутри полости:

15057-80.jpg

Здесь А + - отношениестатистнч. весов состояний положит, ионов и атомов; .- элементарныйзаряд;15057-81.jpg - 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:

15057-82.jpg

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 15057-83.jpgсоотношения статистич. термодинамики, учитывая, что ускоряющее поле уменьшаеттеплоту испарения ионов. При напряжённости поля Е у поверхности

15057-84.jpg

и может быть значительно большей, чем вотсутствие поля. В случае частиц сложного состава в (3)V- первыйадиабатич. потенциал ионизации,15057-85.jpg- отношение полных статистич. сумм состояний заряженной и нейтральной частицпри темп-ре Т.
Т. к. величина 15057-86.jpgхарактеризует 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=15057-87.jpg + 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:

15057-88.jpgv0 = 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.15057-89.jpgпоказывающий, какая часть поступающего потока частиц ионизируется,15057-90.jpg
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 vi и считатьионизацию частиц каждого вида независимой. При этом vi и v связаны соотношением vi ( Т, Е) =gi (Т,E)v, где 15057-91.jpg- коэфф. выхода реакции на поверхности по i -му каналу. В общем случае 15057-92.jpgгде R - коэф. отражения первичных частиц от поверхности. Подставляя 15057-93.jpgполучим:

15057-94.jpg

При П. и. атомных потоков R =0,15057-95.jpg=1.
Для трудноионизируемых веществ 15057-96.jpgвыражения (4) упрощаются (рис. 1):

15057-97.jpg

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 15057-98.jpgкогда 15057-99.jpgи 15057-100.jpgплотность ионного тока:

15057-101.jpg

15057-102.jpg

Рис. 1. Зависимости j( Т )при 15057-103.jpgE=const, v=const для случаев:15057-104.jpg=1 (1),15057-105.jpgвозрастаетс увеличением Т (2);15057-106.jpgуменьшаетсяс увеличением T (3).
15057-107.jpg

Рис. 2. Зависимости j(T )при 15057-108.jpg15057-109.jpg=1 (1),15057-110.jpgвозрастает с увеличением Т(2),15057-111.jpgуменьшается с увеличением Т(3).

Особенностью "лёгкой" ионизации 15057-112.jpgявляется 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 15057-113.jpgпри Т Т 0 ионизируется практически каждая адсорбировавшаясячастица или каждая образованная ею вторичная частица; j слабо зависитот T и E, если 15057-114.jpg= 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 15057-115.jpg А*,15057-116.jpg Из-засильной зависимости 15057-117.jpgот 15057-118.jpgположит. ионы трудноионизируемых веществ образуются преимущественно научастках с 15057-119.jpgа отрицательные ионы - с 15057-120.jpgтак что при сравнимых площадях пятен 15057-121.jpgВ нестационарных условиях (v15057-122.jpgv0+15057-123.jpg) 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 V15057-124.jpg9В, <а отрицат. ионов - от частиц с S15057-125.jpg0,6В. 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 15057-126.jpgСуществуют 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. . 1988.


.

Смотреть что такое "ПОВЕРХНОСТНАЯ ИОНИЗАЦИЯ" в других словарях:

  • Поверхностная ионизация — (термоионизация) метод анализа. Анализируемое вещество наносится на проволочку из тугоплавкого металла, по которой пропускается электрический ток, разогревающий её до высокой температуры. За счет высокой температуры нанесенное вещество испаряется …   Википедия

  • поверхностная ионизация — Термически равновесная десорбция атомов или молекул с поверхности твердых тел положительных или отрицательных ионов. [ГОСТ 13820 77] Тематики электровакуумные приборы …   Справочник технического переводчика

  • 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… …   Большая советская энциклопедия

  • поверхностная ионизация — paviršinis jonizavimas statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. surface ionization vok. Oberflächenionisierung, f rus. поверхностная ионизация, f pranc. ionisation superficielle, f …   Radioelektronikos terminų žodynas

  • поверхностная ионизация — paviršinė jonizacija statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. surface ionization vok. Oberflächenionisation, n rus. поверхностная ионизация, f pranc. ionisation superficielle, f …   Fizikos terminų žodynas

  • Термоионизация или поверхностная ионизация — …   Википедия

  • ИОНИЗАЦИЯ — образование положит. и отрицат. ионов и свободных эл нов из электрически нейтральных атомов и молекул. Термином «И.» обозначают как элементарный акт (И. атома, молекулы), так и совокупность множества таких актов (И. газа, жидкости). Ионизация в… …   Физическая энциклопедия

  • Ионизация в тлеющем разряде и искровая ионизация — в первом случае за счет разницы потенциалов между кусочком исследуемого материала и другим электродом пробивается искра, вырывающая с поверхности мишени ионы, а во втором происходит тоже самое, но за счет так называемого тлеющего разряда,… …   Википедия

  • Ионизация — Энергия ионизации некоторых чистых химических элементов. На пиках находятся инертные газы. Ионизация  эндотермический процесс образования ионов из нейтральных …   Википедия

  • Ионизация поверхностная —         см. Поверхностная ионизация …   Большая советская энциклопедия


Поделиться ссылкой на выделенное

Прямая ссылка:
Нажмите правой клавишей мыши и выберите «Копировать ссылку»

We are using cookies for the best presentation of our site. Continuing to use this site, you agree with this.