Ионно-ионная эмиссия

Ионно-ионная эмиссия или вторичная ионная эмиссия — явления испускания с поверхности конденсированной среды ионов при её бомбардировке другими ионами.

Описание явления

При бомбардировке происходит распыление вещества с поверхности. Ионизация распылённых частиц может происходить как в процессе распыления, так и после — в результате электронного обмена. Образующиеся при эмиссии ионы могут быть как отрицательно так и положительно заряженными и находиться как в основном, так и в возбуждённом состояниях. В пучке могут присутствовать многозарядные ионы, а также молекулярные ионы (например, при бомбардировке металла в атмосфере кислорода возможно образование ионов оксида металла и оксида бомбардирующего элемента). Кроме того, наблюдается образование кластерных ионов, то есть заряженные скопления большого количества атомов (например, ${\displaystyle W_{34}^{+}}$).

Эффективность эмиссии

Для характеристики эффективности ионно-ионной эмиссии использует величины ${\displaystyle S^{\pm }}$, равные отношению потока вторичных ионов данного типа к потоку первичных ионов. Для повышения величины ${\displaystyle S^{+}}$ используют электроотрицательные газы (например, в присутствии кислорода ${\displaystyle S^{+}}$ увеличивается на несколько порядков). В то же время для многозарядных ионов и ионных кластеров зависимость эффективности эмиссии от давления электроотрицательного газа может быть более сложной, иметь максимумы и минимумы. Аналогично электроположительные газы (например, цезия) увеличивают эффективность эмиссии отрицательных ионов.

Ионно-ионная эмиссия носит пороговый характер по отношению к энергии бомбардирующих ионов: при малых энергиях эмиссия отсутствует. Для начала эмиссии обычно необходима энергия порядка нескольких десятков эВ. С ростом энергии ионов эффективность эмиссии растёт.

Эффективность эмиссии зависит также от угла бомбардировки. Для монокристаллических мишеней эта зависимость немонотонна. ${\displaystyle S^{+}}$ достигает минимума для таких углов, для которых направление падения ионов совпадает с направлением низкоиндексных кристаллографических осей.

Коэффициент ${\displaystyle S^{+}}$ растёт с увеличением массы бомбардирующих ионов, за исключением тех ионов, которые химически активны по отношению к элементам мишени. В то же время ${\displaystyle S^{+}}$ немонотонно убывает с ростом массы атомов мишени и увеличивается с уменьшением их потенциала ионизации.

Зависимость ${\displaystyle S^{+}}$ от температуры мишени носит сложный немонотонный характер. Особо существенные изменения наблюдаются при фазовых переходах.

Теория явления

Выделяют две основных теории ионно-ионной эмиссии. Согласно первой из них, в основе явления лежит кинематический механизм: ион (или возбуждённая частица) образуется в результате каскада межатомных столкновений, а ионизация объясняется оже-эффектом. Согласно второй теории, ионизация испущенной частицы происходит в результате электронного обмена с поверхностью мишени.

Обменная теория даёт следующее выражение для вероятности ионизации:

${\displaystyle R^{+}=2\pi \exp \left[-\pi {\frac {I-\Phi }{2\gamma \pi cv}}\cos \vartheta \right]}$

где ${\displaystyle I}$ — энергия ионизации распыляемой частицы, ${\displaystyle \Phi }$ — работа выхода материала мишени, ${\displaystyle v}$ — скорость первичной частицы, ${\displaystyle \vartheta }$ — угол между направлением ${\displaystyle v}$ и нормалью к поверхности, ${\displaystyle \gamma }$ — величина, характеризующая протяжённость взаимодействия атома с поверхностью (обычно эта велина порядка 0,1 нм), коэффициент ${\displaystyle c>1}$ характеризует уменьшение разности ${\displaystyle (I-\Phi )}$ за счёт сил электрического изображения. Для отрицательно заряженных ионов выражение для вероятности ионизации аналогично с заменой ${\displaystyle (I-\Phi )}$ на ${\displaystyle (\Phi -A)}$, где ${\displaystyle A}$ — энергия сродства к электрону.

Использование

Ионно-ионная эмиссия используется в так называемой вторично-ионной масс-спектроскопии для исследования состава и структуры поверхности твёрдого тела и распределения элементов по его глубине.

Литература

• В. Е. Юрасова. Физическая энциклопедия : [в 5 т.] / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2: Добротность — Магнитооптика. — С. 200—201. — 704 с. — 100 000 экз. — ISBN 5-85270-061-4.