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, W 34 + {displaystyle W_{34}^{+}} ).
Эффективность эмиссии
Для характеристики эффективности ионно-ионной эмиссии использует величины S ± {displaystyle S^{pm }} , равные отношению потока вторичных ионов данного типа к потоку первичных ионов. Для повышения величины S + {displaystyle S^{+}} используют электроотрицательные газы (например, в присутствии кислорода S + {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. S + {displaystyle S^{+}} достигает минимума для таких углов, для которых направление падения ионов совпадает с направлением низкоиндексных кристаллографических осей.
Коэффициент S + {displaystyle S^{+}} растёт с увеличением массы бомбардирующих ионов, за исключением тех ионов, которые химически активны по отношению к элементам мишени. В то же время S + {displaystyle S^{+}} немонотонно убывает с ростом массы атомов мишени и увеличивается с уменьшением их потенциала ионизации.
Зависимость S + {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:
R + = 2 π exp [ − π I − Φ 2 γ π c v cos ϑ ] {displaystyle R^{+}=2pi exp left[-pi {frac {I-Phi }{2gamma pi cv}}cos vartheta ight]}где I {displaystyle I} — энергия ионизации распыляемой частицы, Φ {displaystyle Phi } — работа выхода материала мишени, v {displaystyle v} — скорость первичной частицы, ϑ {displaystyle vartheta } — угол между направлением v {displaystyle v} и нормалью к поверхности, γ {displaystyle gamma } — величина, характеризующая протяжённость взаимодействия атома с поверхностью (обычно эта велина порядка 0,1 нм), коэффициент c > 1 {displaystyle c>1} характеризует уменьшение разности ( I − Φ ) {displaystyle (I-Phi )} за счёт сил электрического изображения. Для отрицательно заряженных ионов выражение для вероятности ионизации аналогично с заменой ( I − Φ ) {displaystyle (I-Phi )} на ( Φ − A ) {displaystyle (Phi -A)} , где A {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.