|
|
|
| Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии | |
Стартовая страница |
О системе |
Технические требования |
Синтез |
Обучающий модуль |
Справка по системе |
Контакты |
 | Ионно-ионная эмиссия |
 | |
Анимация
0
Описание
Ионно-ионная эмиссия (вторичная ионная эмиссия) - испускание ионов конденсированной средой при бомбардировке ее ионами. В результате передаче частицами кинетической энергии и импульса от первичных бомбардирующих ионов происходит распыление т.н. вторичных ионов. Ионизация распыленных частиц происходит в процессе или после вылета в результате электронного обмена. При ионно-ионной эмиссии могут быть выбиты как отрицательные, так и положительные ионы, в основном и в возбужденном состояниях.
В пучке вторичных ионов присутствуют многозарядные ионы и ионы соединений (например, при бомбардировке Al ионами Ar+ в атмосфере О2 вылетают ионы Al2O3+, AlnOm+). Количество многозарядных ионов растет с энергией e0 бомбардирующих ионов (например, при бомбардировке W ионами Ar + с энергией e0 = 150 кэВ оно достигает 10%). Наблюдается также заряженные скопления из многих атомов, например W34+; число таких ионов, как правило, невелико.
Ионно-ионная эмиссия характеризуется коэффициентом ионно-ионной эмиссии 
, равным отношению потока вторичных ионов данного типа к потоку первичных ионов. Присутствие в камере или на поверхности электрически отрицательного газа, например, О2, повышает S+ на несколько порядков (рис.1) (для эмиссии многозарядных ионов и кластеров зависимость S+ от давления О2 более сложная; присутствие электрически положительного газа (Cs) увеличивает эмиссию отрицательных ионов).
Выход вторичных ионов (в относительных единицах) из Si при бомбардировке ионами Ar + с энергией 4 кэВ в зависимости от p давления кислорода
Рис. 1
При бомбардировке ионами Ar+ с энергией 4 кэВ в зависимости бомбардировке Si ионами Ar+ возрастание e0 от 2 до 8 кэВ приводит к увеличению на порядок выхода одноразрядных ионов материала мишени и к увеличению более чем на 3 порядка выхода многоразрядных ионов (Si2+, Si3+) (рис. 2).
Выход вторичных ионов из Si при бомбардировке ионами Ar + в зависимости от энергии e0 бомбардирующих ионов Ar+
Рис. 2
В этом диапазоне энергий S+ растет быстрее, чем коэффициент распыления S, достигает максимума и начинает падать с увеличением e0 , как и S.
С возрастанием угла J падения ионов (отсчитываемого от нормали к поверхности) S+ увеличивается. Для монокристаллической мишени зависимость S(J) немонотонна: эмиссия минимальна, когда направление падения ионов совпадает с направлением низкоиндексных кристаллографических осей. Коэффициент S+ растет с увеличением массы бомбардирующих ионов (для элементов, химически активных по отношению к веществу мишени, это правило нарушается). S+ является немонотонно убывающей функцией атомного номера материала мишени (рис. 3).
Зависимость коэффициента ионно-ионной эмиссии от атомного номера Z2 материала мишени при бомбардировке ионами Ar+ с энергией 3 кэВ
Рис. 3
Коэффициент S+ увеличивается с уменьшением энергии ионизации атомов мишени и сложным образом зависит от температуры мишени Т.
При невысоких температурах S+ меняется за счет разложения соединений, содержащих ионы материала мишени и очистки поверхности. Начиная с некоторых температур, когда поверхность уже очищена, S+ не зависит от Т, при температурах фазовых переходов S+ испытывает существенные изменения.
Энергетический спектр положительных вторичных ионов (рис. 4) имеет максимум при энергиях e порядка нескольких эВ и "хвост" в сторону больших энергий.
Энергетические спектры атомарных и кластерных ионов Al при бомбардировке его ионами Ar + с энергией 10 эВ
Рис. 4
Для кластерных ионов спектр сужается и сдвигается в сторону меньших энергий.
Энергетический спектр отрицательных ионов более широк и смещен в сторону больших энергий. Пространственное распределение вторичных ионов похоже на распределение распыленных нейтральных частиц и зависит гл. об. от энергии и углов падения бомбардирующих ионов и структуры мишени. Для поликристаллов, бомбардируемых нормально падающими ионами с энергией порядка нескольких кэВ, пространственное распределение близко к изотропному. При наклонном падении первичных ионов (с энергией несколько кэВ) ионно-ионная эмиссия максимальна вблизи зеркального угла. Из монокристаллов наибольшее число ионов вылетает в направлениях более плотной упаковки атомов.
Существуют две теории ионно-ионной эмиссии. Одна рассматривает каскады атомных столкновений (кинематический механизм) приводящих к образованию иона или нейтральной возбужденной частицы, которая превращается в ион за счет оже-процесса (см. Оже эффект). Другая предполагает образование иона в результате электронного обмена между эмитированной вторичной частицей и поверхностью твердого тела (обменный механизм). Электронно-обменная теория приводит к следующему выражению для вероятность ионизации R (S+ = R +S):
,
где I - энергия ионизации распыляемой частицы;
Ф - работа выхода материала мишени;
v - скорость первичной частицы;
q - угол между направлением v и нормалью к поверхности;
g - величина, характеризующая протяженность взаимодействия атома с поверхностью (обычно g ~ 1 А);
с > 1 - коэффициент характеризует уменьшение разности (I - Ф) за счет сил электрического изображения.
Для отрицательных ионов r - описывается аналогичным выражением с заменой (I - Ф) на (Ф - А), где А - энергия сродства к электрону.
Ключевые слова
Разделы наук
Элементарные частицы, их рассеяние, реакции, космические потоки
Атомная физика, излучение и поглощение энергии атомами и молекулами
Применение эффекта
Ионно-ионная эмиссия в сочетании с анализом частиц по массе используется для исследования состава и структуры поверхности твердого тела и распределения элементов в глубине (вторично-ионная эмиссия масс-спектроскопия).
Реализации эффекта
Схема ионной бомбардировки мишени показана на рис. 5.
Ионная бомбардировка мишени
Рис. 5
Обозначения:
1 - образец (мишень) кристаллического вещества;
2 - источник ионного пучка;
3 - ионный пучок (первичные ионы);
4 - вторичные ионы;
a - угол бомбардировки.
Литература
1. Физическая энциклопедия. - М.: Большая Российская энциклопедия, 1992. - Т.3. - С. 200-201.
| Стартовая страница О системе Технические требования Синтез Обучающий модуль Справка по системе Контакты | |
 |
|
| Copyright © 2008 РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина | |