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 низкочастотные электромагнитные волны частотой менее 100 КГц коренным образом отличаются от более высоких частот падением скорости электромагнитных волн пропорционально корню квадратному их частоты от 300 тысяч кмилометров в секунду при 100 кГц до примерно 7 тыс км/с при 50 Гц.