Ионно-электронная эмиссия – испускание электронов твердым телом при бомбардировке его ионами. Различают потенциальное вырывание электронов (потенциальная ионно-электронная эмиссия). Потенциальное вырывание связано с передачей электронам мишени энергии, выделяющейся при переходе бомбардирующего иона в основное состояние атома. Этот переход осуществляется обычно путем т. н. оже-нейтрализации. Если к поверхности металла приближается ион, незанятый энергетический уровень которого лежит ниже уровня Ферми, то на этот уровень перейдет один из электронов проводимости. В результате этого ион нейтрализуется, высвобождающаяся энергия передается другому электрону металла, который получает возможность покинуть металл. В этом случае может иметь место, если соблюдается условие

ξ_и>2Ф,

где ξ_и – энергия ионизации атомов, ионы которых направляются на металл, Ф – работа выхода металла. Для неметаллов вместо Ф в граничное условие входит энергия наивысшего заполненного электронами уровня; например, для собственного проводника – «потолок» валентной зоны.

В вакуум выходят как электроны атомов мишени, так и самих бомбардирующих частиц. Некоторое количество электронов возбуждается быстрыми атомами отдачи. В случае монокристаллов γ_к различны для разных граней и немонотонно зависят от угла падения ионов. Распределение эмитированных электронов по энергиям имеет максимум (~1 – 3 эВ) и протяженный спад, на котором выделяются пики и ступеньки, связанные с оже-переходами в соударяющихся частицах и другими процессами. На анализе этих особенностей спектров основана т. н. ионная оже-спектроскопия поверхности твердого тела.

Коэффициент ионно-электронной эмиссии g равен отношению числа эмиттированных электронов n_е к числу падающих на поверхность ионов n_i. Для ионно-электронной эмиссии характерно отсутствие энергетического порога. Для медленных ионов g практически не зависит от их энергии E_i и массы m_i, но зависит от их заряда (для однозарядных ионов g=0,2—0,3, для многозарядных g может превышать единицу). Ионно-электронная эмиссия зависит также от энергий ионизации и возбуждения ионов и от работы выхода вещества мишени. Когда скорость ионов v_i достигает (6—7) 10⁶ см/с, характер ионно-электронной эмиссии резко изменяется (для диэлектриков при меньших энергиях). Вначале g растёт пропорционально E_i, затем как E²_i, при v_i=10⁸ —10⁹ см/с достигается максимум, после чего начинается спад. Энергетический спектр эмиттированных электронов имеет максимум при энергиях E_i=1—3 эВ, положение которого не зависит от E_i.

Если к поверхности твёрдого тела подходит медленный ион, то электрон твердого тела может перейти к иону и нейтрализовать его. Такой переход сопровождается выделением энергии, и часть электронов, получивших её, может покинуть тело. При бомбардировке быстрыми ионами происходит интенсивный электронный обмен, при котором электрон может перейти из валентной зоны в зону проводимости, а затем и в вакуум.

На рисунке 1 изображен энергетический спектр вторичных электронов, индуцированных бомбардировкой мишени из сплава Fe-Ni ионами ксенона при температуре жидкого азота и давлении ксенововой атмосферы 10^-6 Торр (сплошные линии) для различных углов детектирования.

Также показан энергетический спектр при давлении ксенона 10^-8 Торр при угле детектирования 156^о (кривая 1). Энергия первичных ионов фиксированная 10 кэВ. На вставке схематически показана геометрия мишени.

Известно, что при больших скоростях налетающего иона практически вся его энергия передается в электронную подсистему вещества. При этом передача энергии может происходить различными путями: в близких и дальних соударениях. Первые могут осуществляться при малых прицельных параметрах столкновений с большими значениями переданного импульса, дальним же соответствуют большие параметры удара и малые переданные импульсы. Часть энергии иона может тратиться на возбуждение плазменных колебаний.

В близких соударениях рождаются быстрые d-электроны (максимальная скорость d-электронов равна удвоенной скорости налетающего иона), которые в свою очередь при дальнейших столкновениях производят медленные электроны в результате каскадного процесса. Ионы также способны увлекать за собой некоторые электроны среды, так называемые “конвойные”. Скорость этих электронов равна скорости иона.

При движении иона в среде, которая не является бесконечной, а существует граница раздела с вакуумом, часть образовавшихся неравновесных электронов может преодолеть поверхностный потенциальный барьер и выйти в вакуум. Этот процесс называют вторичной ионно-электронной эмиссией (ВИЭЭ). Для быстрых легких ионов коэффициент ВИЭЭ прямо пропорционален средним удельным ионизационным потерям иона в веществе dE/dx. Функции распределения электронов ВИЭЭ по энергиям часто аппроксимируют степенными зависимостями вида:

f(E)=A×E^s , (1)

где A - константа, s - показатель степени. В экспериментах с тонкими мишенями (толщина которых меньше длины пробега иона в данном веществе) эмиссия электронов происходит как со стороны входа пучка в мишень (на отражение), так и со стороны выхода пучка (на прострел).

Ионно-электронная эмиссия играет также важнгую роль в процессе вакуумного пробоя. Начальная стадия вакуумного пробоя длительностью до 10^-7 с, в которой развиваются сильные токи электронов при высоком напряжении на промежутке, используется в мощных источниках рентгеновсого излучения и сильноточных ускорителях. В многочисленных высоковольтных приборах и установках, где вакуумные промежутки применяются только для ускорения потоков электронов и ионов, очень важно, чтобы случайные вакуумные пробои не нарушали работу этих устройств, отсюда необходимо обеспечение их электрической прочности. Увеличение электрической прочности вакуумных промежутков достигается соответствующим выбором материалов электродов, их тщательной механической обработкой (устранением неровностей и острий), а также очисткой поверхностей электродов, которая достигается нагревом в вакууме, обработкой потоками электронов или ионов инертных газов. Электрическая прочность вакуумного промежутка с необработанными электродами составляет около 10⁴ В/см, в то время как промежутки с электродами, прошедшими тщательную механическую, а также электронную и ионную обработки, показывают электрическую прочность, доходящую до 10⁶ В/см.

Электронная эмиссия - испускание электронов поверхностью твёрдого тела или жидкости. Электронная эмиссия возникает в случаях, когда под влиянием внешних воздействий часть электронов тела приобретает энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера на границе тела, или если под действием электрического поля поверхностный потенциальный барьер становится прозрачным для части электронов, обладающих внутри тела наибольшими энергиями. Электронная эмиссия может возникать при нагревании тел (термоэлектронная эмиссия), при бомбардировке электронами (вторичная электронная эмиссия), ионами (ионно-электронная эмиссия) или фотонами (фотоэлектронная эмиссия). В определённых условиях (например, при пропускании тока через полупроводник с высокой подвижностью электронов или при приложении к нему сильного импульса электрического поля) электроны проводимости могут «нагреваться» значительно сильнее, чем кристаллическая решётка, и часть из них может покинуть тело (эмиссия горячих электронов).

Для наблюдения электронной эмиссии необходимо создать у поверхности тела (эмиттера) внешне ускоряющее электроны электрическое поле, которое «отсасывает» электроны от поверхности эмиттера. Если это поле достаточно велико (порядка 10² В/см), то оно уменьшает высоту потенциального барьера на границе тела и соответственно работу выхода (эффект Шотки), в результате чего электронная эмиссия возрастает. В сильных электрических полях (~10⁷ В/см) поверхностный потенциальный барьер становится очень тонким и возникает туннельное «просачивание» электронов сквозь него (туннельная эмиссия), иногда называемое также автоэлектронной эмиссией. В результате одновременного воздействия 2 или более факторов может возникать термоавто- или фотоавтоэлектронная эмиссия. В очень сильных импульсных электрических полях (~ 5×10⁷ В/см) туннельная эмиссия приводит к быстрому разрушению (взрыву) микроострий на поверхности эмиттера и к образованию вблизи поверхности плотной плазмы. Взаимодействие этой плазмы с поверхностью эмиттера вызывает резкое увеличение тока электронной эмиссии до 10⁶ а при длительности импульсов тока в несколько десятков нсек (взрывная эмиссия). При каждом импульсе тока происходит перенос микроколичеств (~ 10 -11 г) вещества эмиттера на анод.

Вакуумный пробой представляет собой сложное явление, достаточно полного и точного объяснения его возникновения и развития еще нет, но существуют гипотезы и теории. Например, согласно электронно-лучевой теории, электроны, возникающие в вакууме за счет автоэлектронной эмиссии с микроострий на катоде, ускоряются в электрическом поле промежутка, образуют "лучи" и бомбардируют анод. При этом происходит местное увеличение температуры анода, сопровождающееся выделением сорбированных газов и паров металла, которые ионизуются электронами. Ионы движутся к катоду, что приводит к образованию положительного пространственного заряда и усилению поля у катода, это в свою очередь увеличивает автоэлектронную эмиссию и т. д. Одновременно возникают сильная ионно-электронная эмиссия и катодное распыление. В итоге в промежутке за счет быстрого увеличения концентрации десорбирующихся газов и паров металлов электродов возникает самостоятельный электрический разряд в форме вакуумной искры или дуги.

Существует также теория вакуумного пробоя за счет нагрева острия автоэмиттера протекающим по нему током. При плотности тока около 108 А/см2 эмиттер взрывается и вакуумная дуга возникает в парах металла катода. Поскольку образование микроскопических острий на массивных катодах обнаруживается на опыте, то формирование вакуумного пробоя из-за нагрева и взрыва этих острий весьма вероятно. Инициатором вакуумного пробоя могут быть также отдельные быстрые микрочастицы.

Явление вакуумного пробоя широко используется в приборах и установках. Высокая электрическая прочность вакуума и вакуумная дуга используются в вакуумных выключателях.