Поверхностная ионизация. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Поверхностная ионизация - образование ионов 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, радикалов и ассоциатов (частиц, образующихся присоединением к молекуле атома или др. частицы). П. и. - термически равновесный процесс, испарившиеся частицы имеют больцмановское распределение по энергии с температурой Т распределения, равной температуре твёрдого тела.
П. и. была открыта И. Ленгмюром и К. X. Кингдоном (I. Langmuir, К. Н. Kingdon, 1923), обнаружившими, что в заполненном парами Cs цилиндрич. диоде с анодом в виде накалённой вольфрамовой проволоки протекает ток положит. ионов. Они применили Саха формулу для термич. ионизации газа к описанию ионизации паров одноатомных веществ внутри однородно нагретой металлич. полости и нашли выражение для степени П. и.

равной отношению концентраций ионов (п₊)и атомов (n₀) внутри полости:

Здесь А ₊ - отношение статистнч. весов состояний положит, ионов и атомов; е - элементарный заряд;

- работа выхода электрона из стенки полости; у - потенциал ионизации атома; Т - 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 ионизироваться атомы многих элементов, ряд молекул (в т. ч. органич. соединений), а также частиц, образующихся в хим. реакциях на поверхности; первичные частицы сложного 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 действии внешних электрич. полей, ускоряющих ионы в направлении от поверхности. При этом ионизация также может быть термически равновесной, если за время жизни частиц на поверхности между ними и твёрдым телом устанавливается тепловое равновесие. В этом случае под степенью П. п. понимают отношение числа заряж. частиц к числу нейтральных того же хим. состава в испаряющемся потоке частиц и применяют для нахождения

соотношения статистич. термодинамики, учитывая, что ускоряющее поле уменьшает теплоту испарения ионов. При напряжённости поля Е у поверхности

и может быть значительно большей, чем в отсутствие поля. В случае частиц сложного состава в (3) V - первый адиабатич. потенциал ионизации,

- отношение полных статистич. сумм состояний заряженной и нейтральной частиц при температуре Т.
Т. к. величина

характеризует зарядовое равновесие в испаряющемся потоке частиц, она не зависит от способа поступления частиц на поверхность: они могут поступать из окружающего пара, в виде атомных и молекулярных потоков, быть частицами поверхностного слоя самого твёрдого тела или чужеродными частицами, предварительно нанесёнными на поверхность, а также объёмными примесями, диффундирующими к поверхности. В условиях теплового равновесия в слое частиц на поверхности различия в способах поступления частиц сказываются лишь на температурных и временных зависимостях поступающих и испаряющихся потоков и, соответственно, ионных токов. Сложившееся разделение термически равновесной ионизации на нагретых поверхностях на П. и. (первые два способа) и на термоионную эмиссию (остальные способы) отражает лишь различие способов транспорта первичных частиц к ионизирующей поверхности.
В стационарных условиях при поступлении частиц извне поток v поступающих частиц равен испаряющемуся (v =

+ v₀), так что при Т - const и v = const на поверхности устанавливается равновесное покрытие N(T, v) первичными частицами; потоки v₊ и v_-, и, соответственно, ионные токи постоянны во времени:

где l - энергия, необходимая для десорбции 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 состава и лоток v к поверхности может превращаться в неск. (i)видов вторичных частиц в результате диссоциации, хим. реакции и т. д. Его можно представлять состоящим из i потоков v_i и считать ионизацию 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 из входящих в (5) величин. На этом основаны поверхностно-ионизационные методы исследований поверхности твёрдого тела и процессов взаимодействия частиц с твёрдым телом.
В случае

когда

плотность ионного тока:

Рис. 1. Зависимости j(Т) при

E=const, v=const для случаев:

= 1 (1),

возрастает с увеличением Т (2);

уменьшается с 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 Т₀ (рис. 2) и температурного и полевого гистерезисов вблизи Т₀. Величина Т₀, зависящая от теплот испарения ионов и нейтральных частиц с поверхности, увеличивается с ростом v и уменьшается при увеличении Е. Пороговые явления вызываются зависимостью теплоты испарения ионов и нейтральных частиц от степени покрытия и от Е.
В случае

при Т > Т₀ ионизируется практически каждая адсорбировавшаяся частица или каждая образованная ею вторичная частица; j слабо зависит от T и E, если

= 1 или постоянна, и значит. превосходит токи, получаемые с помощью др. видов ионизации.
В случае неоднородных по j твёрдых тел (напр., поликристаллических) на эмиссию ионов оказывают влияние т. н. контактные поля пятен (см. Работа выхода). При их компенсации внешним электрич. полем ионный ток равен сумме токов с отдельных пятен. При этом в интервале Т порядка неск. сотен градусов ф-лы (4,5) сохраняются при введении в них усреднённых значений

А*,Из-за сильной зависимости

от

положит. ионы трудноионизируемых веществ образуются преимущественно на участках 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 создают такие 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. параметры термич. десорбции ионов (а в ряде случаев и нейтральных частиц), определяющие величины потоков частиц с поверхности: l_±, l₀, С, D, а также ср. времена жизни частиц на поверхности по отношению к 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 S 0,6В. В большом числе комбинаций частица - твёрдое тело осуществляется лёгкая ионизация.
П. и. используется в ионных источниках, детекторах молекулярных и атомных пучков (включая селективные детекторы и газоанализаторы органич. соединений), для компенсации объёмного заряда электронов в разл. устройствах. П. п. позволяет исследовать мн. физико-хим. процессы на поверхности твёрдого тела, а также свойства частиц и поверхности твёрдого тела. Применяются свыше 30 поверхностно-ионизационных методов для определений: V и S атомов, молекул и радикалов; кинетич. характеристик термодесорбции этих частиц в виде ионов и в нейтральном состоянии; для изучения реакций на поверхности твёрдого тела; фазовых переходов в адсорбированных слоях; для определения активности катализаторов в гетерогенных реакциях диссоциации и др. Эти методы пригодны при высоких Т и имеют большую чувствительность, если

Существуют комбинированные методы, в к-рых П. и. сочетается с термоэлектронной эмиссией, с электронно-стимулированной десорбцией и др.

Литература по поверхностной ионизации

Знаете ли Вы, что только в 1990-х доплеровские измерения радиотелескопами показали скорость Маринова для CMB (космического микроволнового излучения), которую он открыл в 1974. Естественно, о Маринове никто не хотел вспоминать. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.