Ионная эмиссия

Ио́нная эмиссия

Испускание положительных и отрицательных ионов поверхностью твёрдого тела или жидкости (эмиттер) в вакуум или газообразную среду. Ион, чтобы покинуть поверхность, должен обладать достаточно большой энергией для преодоления сил, удерживающих его на поверхности. Эта энергия может быть получена ионом при нагревании (термоионная эмиссия), при бомбардировке эмиттера (называется в этом случае мишенью) пучком ионов (ионно-ионная эмиссия), электронами (электронно-ионная эмиссия) и фотонами (фотодесорбция). Во всех случаях И. э. может иметь место как эмиссия частиц самого эмиттера, так и примесных частиц, неизбежных в реальных материалах.

Термоионная эмиссия происходит в результате испарения в виде ионов частиц эмиттера или других частиц, находящихся в эмиттере в виде примесей или попадающих на его поверхность извне. В последнем случае, а иногда и вообще термоионная эмиссия называется поверхностной ионизацией (См. Поверхностная ионизация). Количественной характеристикой термоионной эмиссии является степень ионизации α, равная отношению числа ионов n_i к числу нейтральных частиц n₀ того же химического состава, испаряющихся с поверхности эмиттера за определённый промежуток времени. При этом выполняется соотношение:

где Q₀ и Q_i — теплоты испарения частиц в нейтральном и ионном состояниях, k — Больцмана постоянная, T — абсолютная температура эмиттера, А — отношение статистических весов частиц в ионном и нейтральном состояниях. Величины Q_i и Q₀ связаны с работой выхода (См. Работа выхода) φ эмиттера и энергией ионизации V частиц (для положительных ионов) или энергией сродства к электрону S (для отрицательных ионов) соотношениями:

Q₀ — Q_i = φ — V; Q₀ — Q_i = S — φ. (2)

Из (1) и (2) следует, что степень ионизации α тем выше, чем больше величина φ при И. э. положительных ионов и чем меньше φ при И. э. отрицательных ионов. При φ < V и φ > S величина α, а следовательно, и ионный ток растут с ростом Т (рис. 1). Плотность ионного тока j при термоионной эмиссии зависит не только от величины α, но и от скорости испарения частиц с поверхности.

Термоионная эмиссия используется для получения пучков ионов в ионных источниках (См. Ионный источник) для индикации слабых молекулярных пучков (например, в квантовых стандартах частоты (См. Квантовые стандарты частоты)), для ионного внедрения примесей в Полупроводники и т. п. В физико-химических исследованиях термоионная эмиссия используется для определения энергии ионизации (См. Ионизация) и сродства к электрону атомов, молекул и радикалов, теплот испарения (См. Теплота испарения) и десорбции ионов и нейтральных частиц, энергии диссоциации молекул и т. д.

Если эмиттер находится в электрическом поле, ускоряющем испаряющиеся ионы, то теплота испарения ионов Q_i уменьшается с ростом напряжённости поля Е у поверхности эмиттера (Шотки эффект для ионов); при T = Const это сопровождается, согласно (1), ростом величины α.

В сильных полях (E ~ 10⁸ в/см) И. э. с большой вероятностью (α » 1 ) происходит при комнатной и более низких температурах. В этом случае И. э. называется полевой эмиссией (автоионной эмиссией, испарением полем). Поля ~10⁸ в/см создаются, например, у поверхности тонких острий с радиусом закругления 100—1000 Å. В таких электрических полях могут испускаться не только однозарядные, но и двухзарядные ионы. Полевую И. э. можно рассматривать как испарение ионов через сниженный полем Потенциальный барьер. Ионный ток растет с увеличением поля Е, причём в более слабых полях вылетают преимущественно ионы примесей.

Полевая И. э. используется для подготовки образца в ионном проекторе (См. Ионный проектор) и в электронном проекторе (См. Электронный проектор). Для получения резкого изображения с помощью ионного проектора необходимо создать атомно-гладкую поверхность образца. Полевая И. э. сглаживает поверхность острия, так как у краев и резких выступов электрическое поле сильнее, что приводит к предпочтительному испарению ионов с этих мест.

Ионно-ионная (вторичная ионная) эмиссия происходит при облучении поверхности пучком ионов (первичных). При этом наблюдается эмиссия (выбивание) вторичных ионов и нейтральных частиц (см. также Катодное распыление). В пучке вылетающих ионов присутствуют отражённые от поверхности первичные ионы (иногда изменившие знак заряда), ионы материала мишени и примесей. Ионно-ионная эмиссия характеризуется коэффициент эмиссии К, равным отношению потока вторичных ионов n_вт данного типа к потоку n_п первичных ионов, бомбардирующих поверхность. Обычно К составляет доли % для однозарядных ионов. Величина К зависит от материала мишени, её температуры, типа первичных ионов, их кинетической энергии, угла падения на поверхность, состава и давления газа, окружающего мишень, и др. (рис. 2). Пространственное распределение вторичных ионов определяется энергией и углом падения первичных ионов. Средняя энергия вторичных ионов обычно не превышает 10 эв. Однако при наклонном падении быстрых ионов на мишень она может быть значительно выше. Ионно-ионная эмиссия применяется для изучения адсорбции (См. Адсорбция), Катализа, при исследовании свойств поверхности (см. Ионный микроскоп) и др.

Электронно-ионная эмиссия. Электрон при ударе о поверхность затрачивает часть кинетической энергии на разрыв связи частицы эмиттера с поверхностью. При этом частица может покинуть поверхность в виде иона. Электронно-ионная эмиссия находит применение для изучения состояния адсорбированных частиц.

Фотодесорбция ионов. Поглощение светового фотона может привести к распаду молекулы мишени на ионы либо к ионизации атома или молекулы. Часть ионов, возникающих при этом, может покинуть поверхность.

Если эмиттер облучить интенсивным световым потоком (луч лазера мощностью в импульсе ~ 10⁸—10⁹ вт/см²), то наблюдается выход ионов вещества мишени с зарядами различной кратности и даже полностью лишённых электронов (например, Co²⁷⁺). Источником ионов в этом случае является высокоионизованная Плазма, образующаяся вблизи эмиттера при испарении вещества.

Лит.: Добрецов Л. Н., Гомоюнова М. В., Эмиссионная электроника, М., 1966; Фогель Я. М., Вторичная ионная эмиссия, «Успехи физических наук», 1967, т. 91, в. 1, с. 75; Зандберг Э. Я., Ионов Н. И., Поверхностная ионизация, М., 1969; Каминский М., Атомные и ионные столкновения на поверхности металла, пер. с англ., М., 1967.

Н. И. Ионов, В. Е. Юрасова.

Рис. 1. Зависимость логарифма плотности ионного тока от температуры эмиттера Т при испарении W и Re в виде положительных и отрицательных ионов.

Рис. 2. Зависимость коэффициента К ионно-ионной эмиссии для различных вторичных ионов (H^-, H⁺, O⁺, Mo⁺) от скорости v в см/сек первичных ионов [H⁺(1), Ne⁺(2), Ar⁺(3), Kr⁺(4)] при бомбардировке ими мишени из Mo.