ПОВЕ́РХНОСТНАЯ ИОНИЗА́ЦИЯ

ПОВЕ́РХНОСТНАЯ ИОНИЗА́ЦИЯ, об­ра­зо­ва­ние ио­нов в про­цес­се тер­мич. де­сорб­ции час­тиц c по­верх­но­сти твёр­дых тел. От­кры­та в 1923 И. Лен­гмю­ром и К. Кинг­до­ном и од­но­вре­мен­но Г. Айв­сом. Они об­на­ру­жи­ли, что в ва­ку­ум­ном дио­де с на­гре­той вольф­ра­мо­вой про­во­ло­кой в при­сут­ст­вии па­ров $\ce{Cs}$ воз­ни­ка­ет ток ио­нов $\ce{Cs+}$. Де­таль­ные ис­сле­до­ва­ния и раз­ви­тие тео­рии П. и. вы­пол­не­ны рос. фи­зи­ка­ми Э. Я. Занд­бер­гом и Н. И. Ио­но­вым во 2-й пол. 20 в.

Клас­сич. тео­рия П. и. рас­смат­ри­ва­ет 3 ста­дии: по­сту­п­ле­ние час­тиц на по­верх­ность; на­сту­п­ле­ние за­ря­до­во­го и те­п­ло­во­го рав­но­ве­сия ме­ж­ду ад­сор­би­ро­ван­ны­ми час­ти­ца­ми и по­верх­но­стью твёр­до­го те­ла; ис­па­ре­ние час­тиц с по­верх­но­сти, часть из ко­то­рых ис­па­ря­ет­ся в ви­де ионов. Де­сор­би­рую­щий­ся по­ток час­тиц мо­жет зна­чи­тель­но от­ли­чать­ся от по­сту­паю­ще­го по со­ста­ву и ве­ли­чи­не по­то­ка, ко­то­рые оп­ре­де­ля­ют­ся про­цес­са­ми в ад­сор­би­ро­ван­ном слое час­тиц (хи­мич. ре­ак­ция­ми дис­со­циа­ции и ас­со­циа­ции в ад­сор­би­ро­ван­ном слое), те­ку­щей кон­цен­тра­ци­ей час­тиц в слое и те­п­ло­той их десорб­ции. Ток по­ло­жи­тель­но за­ря­жен­ных ио­нов ка­ж­до­го ви­да оп­ре­де­ля­ет­ся вы­ра­же­ни­ем $$I=\frac{evs}{1+\frac{1}{A}\exp\left( \frac{e}{kT}(V-φ-(eE)^{1/2}\right) }\tag{*}$$ где $I$ – ток ио­нов, $e$ – за­ряд элек­тро­на, $v$ – по­ток час­тиц дан­но­го ви­да, де­сор­би­рую­щих­ся с по­верх­но­сти, $φ$  – ра­бо­та вы­хо­да, оп­ре­де­ляе­мая раз­но­стью ме­ж­ду уров­нем Фер­ми твёр­до­го те­ла и уров­нем ва­куу­ма, $V$ – по­тен­ци­ал ио­ни­за­ции час­ти­цы, $s$ – пло­щадь эми­ти­рую­щей по­верх­но­сти, $A$ – от­но­ше­ние пол­ных ста­ти­стич. сумм для за­ря­жен­ной и ней­траль­ной час­тиц, $k$ – по­сто­ян­ная Больц­ма­на, $E$ – на­пря­жён­ность элек­трич. по­ля у эмит­те­ра. Об­ра­зо­ва­ние от­ри­цат. ио­нов так­же оп­ре­де­ля­ет­ся вы­ра­же­ни­ем (*), в ко­то­ром па­ра­метр ($V-φ$) за­ме­ня­ет­ся на ($φ-S$), где $S$ – срод­ст­во час­ти­цы к элек­тро­ну. Энер­гия де­сор­би­рую­щих­ся ио­нов ха­рак­те­ри­зу­ет­ся рас­пре­де­ле­ни­ем Больц­ма­на с темп-рой $T$, рав­ной темп-ре твёр­до­го те­ла.

Из фор­му­лы (*) сле­ду­ет, что при $e(V-φ)≪kT$ прак­ти­че­ски ка­ж­дая час­ти­ца, па­даю­щая или об­ра­зуе­мая на по­верх­но­сти, де­сор­би­ру­ет­ся в ви­де ио­на. Этот слу­чай на­зы­ва­ет­ся «лёг­кой» ио­ни­за­ци­ей. Плот­ность ион­ных то­ков при лёг­кой ио­ни­за­ции мо­жет дос­ти­гать по­ряд­ка 10³ А/(Па·м²) (напр., при П. и. три­этил­ами­на на окис­лен­ном вольф­ра­ме). Этот эф­фект ис­поль­зу­ют для де­тек­ти­ро­ва­ния час­тиц в га­зо­вых сме­сях и соз­да­ния ис­точ­ни­ков ио­нов (напр., при соз­да­нии элек­тро­ра­кет­ных дви­га­те­лей).

В слу­чае «труд­ной» ио­ни­за­ции при $e(V-φ)≫kT$ эф­фек­тив­ность ио­ни­за­ции рез­ко сни­жа­ет­ся. Раз­ли­чие эф­фек­тив­но­сти П. и. час­тиц раз­ной при­ро­ды по­зво­ля­ет соз­да­вать се­лек­тив­ные де­текто­ры для ре­ги­ст­ра­ции оп­ре­де­лён­ных час­тиц, напр. взрыв­ча­тых ве­ществ, ле­кар­ст­вен­ных средств, нар­ко­ти­ков. При этом мож­но ре­ги­ст­ри­ро­вать по­ло­жи­тель­ные ио­ны с по­тен­циа­лом ио­ни­за­ции час­тиц $V\lt 8$ эВ и от­ри­ца­тель­ные ио­ны со срод­ст­вом к элек­тро­ну час­тиц $S\gt 0,6$ эВ. Влия­ни­ем элек­трич. по­ля на­пря­жён­ностью $E$ до 10⁴ В/см на ток ио­нов можн­о пре­неб­речь, а при $Е\gt 10^6$ В/см в слу­чае «труд­ной» ио­ни­за­ции эф­фек­тив­ность П. и. воз­рас­та­ет вплоть до ав­то­ио­ни­за­ции (см. Авто­ио­ни­за­ци­он­ное со­стоя­ние).

Ве­ли­чи­на $v$ оп­ре­де­ля­ет­ся: темп-рой $T$; те­п­ло­той де­сорб­ции час­тиц; по­то­ком час­тиц, по­сту­паю­щих на по­верх­ность, а так­же ка­та­ли­тич. про­цес­са­ми на по­верх­но­сти эмит­те­ра, в т. ч. с уча­сти­ем отд. цен­тров; диф­фу­зи­он­ным об­ме­ном час­ти­ца­ми ме­ж­ду ад­сор­би­ро­ван­ным сло­ем и объ­ё­мом эмит­те­ра; внеш­ним воз­дей­ст­ви­ем на про­цес­сы в ад­сор­би­ро­ван­ных сло­ях (ос­ве­ще­ни­ем, элек­трон­ным об­лу­че­ни­ем, элек­трич. по­лем).

В ка­че­ст­ве эмит­те­ров обыч­но ис­поль­зу­ют ме­тал­лы ($\ce{W, Мо, Pt, Ir, Re, Ni}$) и ок­си­ды $\ce{W, Mo, Ni}$, ни­хром, а так­же ин­тер­ме­тал­ли­ды (напр., $\ce{Na}_x \ce{Au}_y$) и по­лу­про­вод­ни­ки (напр., $\ce{Si, LaB6}$). Их ра­бо­та вы­хо­да ле­жит в диа­па­зо­не 4,0–6,7 эВ. Темп-ра эмит­те­ров под­дер­жи­ва­ет­ся в диа­па­зо­не от 600 до 2500 К. Эти эмит­теры при­ме­ня­лись для П. и. ме­тал­лов, со­лей ме­тал­лов, га­ло­ге­нов, а так­же для мно­го­числ. ор­га­нич. со­еди­не­ний (ами­нов, гид­ра­зи­нов, фос­фи­нов, ар­си­нов, фе­но­лов, ор­га­нич. ки­слот, про­из­вод­ных цик­лич. со­еди­не­ний, али­фа­тич. со­еди­не­ний и др.).

П. и. час­тиц на­блю­да­ет­ся не толь­ко в ва­ку­ум­ных, но и в ат­мо­сфер­ных ус­ло­ви­ях. Так, с ис­поль­зо­ва­ни­ем эмит­те­ров из окис­лен­но­го Mo соз­да­ны се­лек­тив­ные де­тек­то­ры со­дер­жа­ния ор­га­нич. мо­ле­кул в воз­ду­хе и га­зо­вых сме­сях, а так­же дрей­фо­вые масс-спек­тро­мет­ры, по­лу­чив­шие ши­ро­кое рас­про­стра­не­ние.