Поверхностная ионизация

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 (за счёт диффузии этих частиц из объёма тела или протекающей одновременно с П. и. адсорбции) 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. a= n_i/n₀, где n_i и n₀ — потоки одновременно десорбируемых одинаковых по химическому составу ионов и нейтральных частиц. n_i = CN exp (—l_i/kT), a n₀ = DNexp (—l₀/k T), здесь k — Больцмана постоянная, T — абсолютная температура поверхности, l_i и l₀ — 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

a = .

  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 частицы с переводом освободившегося электрона в твёрдое тело. Требуемая для этого энергия равна e (V—j); V — ионизационный потенциал частицы, еj — работа выхода тела, е — заряд электрона. Выражение a через эти величины приводит к Ленгмюра — Саха уравнению, причём для положительной П. и. (l_i+ — l₀) = e (V —j), а для отрицательной П. и. (l_i- — l₀) = е (j—S), где eS — энергия сродства к электрону частицы. П. и. наиболее эффективна (a велико) для частиц с l_i < l₀ или j > V и S > j; a 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_i растет, а l₀ падает с увеличением N. Если при Т > Т₀ соблюдается условие эффективной П. и. (l_i < l₀ и n_i >> n₀), то при Т = Т₀ знак (l₀ — l_i) меняется, а a 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 E < 10⁷ в/см это снижение Dl = е = 3,8×10^-4 эв (E должно быть выражено в в/см). Соответственно растет a. Если l_i < l₀ и n_I > n₀, 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 = 10⁷ в/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 £ 10 в и S ³ 0.6 в. 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, j и N неодинаковы на различных участках. В таких случаях указанные зависимости a от Т и Е сохраняются для некоторых усреднённых значений l₀, l_i и j.

  П. и. широко используется в ионных источниках различного назначения, в чувствительных детекторах частиц, для компенсации объёмного заряда электронов в термоэлектронных преобразователях, перспективна для создания плазменных двигателей, 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. 2. Характерные зависимости степени поверхностной ионизации a 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.

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 ej.