ионно-электронная эмиссия

ИОННО-ЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ - испускание электронов твёрдым телом при бомбардировке его ионами. Различают потенц. вырывание электронов (потенц. И--э. э.) и их кннетич. выбивание (кинетич. И--э. э.). Потенц. вырывание связано с передачей электронам мишени энергии, выделяющейся при переходе бомбардирующего иона в осп. состояние атома. Этот переход осуществляется обычно путём т.н. оженейтрализации. Если к поверхности металла приближается ион, незанятый энергетич. уровень к-рого лежит ниже уровня Ферми, то на этот уровень перейдёт один из электронов проводимости (напр., 1; рис. 1, а). В результате этого ион нейтрализуется, высвобождающаяся энергия передаётся др. электрону металла (напр., 2), к-рый получает возможность покинуть металл. В этом случае И--э. э. может иметь место, если соблюдается условие E_и>2 Ф, где E_и - энергия ионизации

Рис. 1. а -оже-нейтрализация положительного иона на металлической поверхности: E_и - энергия ионизации; Ф - работа выхода металла; E_с - Дно зоны проводимости; E_к- кинетическая энергия электрона в вакууме; б-оже-дезактивация.

атомов, ионы к-рых направляются на металл, Ф - работа выхода металла. Для неметаллов вместо Ф в граничное условие входит энергия наивысшего заполненного электронами уровня; напр., для собств. полупроводника - "потолок" валентной зоны. Коэф. потенц. вырывания g_п, равный ср. числу уходящих в вакуум электронов, приходящихся на 1 ион, возрастает с увеличением E_и и для однозарядных ионов инертных газов достигает неск. десятков %. В случае многозарядных ионов захват электронов ионом происходит последовательно со ступенчатым понижением кратности заряда иона до 0. При этом g_п может превышать 1. При энергии ионов E[1 кэВ коэф. g_п от E зависит слабо (уменьшается с ростом E; рис. 2). При больших E величины g_п снижаются до 0. В отд. случаях, когда возможна нейтрализация ионов в возбуждённое состояние атома, вырывание электронов осуществляется путём оже-дезактивации (рис. 1, 6). Энергия, выделившаяся при переходе

Рис. 2. Зависимость коэффициента потенциального вырывания электронов g_п из Мо от энергии E ионов инертных газов; при E/0,4 кэВ ионы Не⁺ вызывают кинетическое выбивание электронов; пунктирная кривая описывает полный коэффициент ионно-электронной эмиссии g=g_п+g_к.

Рис. 3. Энергетический спектр электронов при потенциальном вырывании их ионами Не⁺ с энергией 5 эВ. Надпись Ni (100) с (2x2) Se означает, что на грани (100)Ni адсорбирован Se, образующий кубическую решётку (с) с размерами 2x2.

второго электрона мишени (напр., 2) в осн. состояние возбуждённого атома, передаётся электрону 1, оказавшемуся на возбуждённом уровне. При этом условие появления эмиссии: Ev>Ф, где Ev - энергия возбуждения атома. Вырывание электронов путём ожедезактивации осуществляется при облучении мишеней из тугоплавких металлов ионами Ne, что обусловливает особый вид кривых g_п(E)(рис. 2). При E_и , близких к 2Ф, или Ev, близких к Ф, кояф. g_п может заметно зависеть от темп-ры Т мишени. В случае монокристаллич. мишени g_п в значительной мере определяется гранью кристалла. Форма энергетич. спектра эмитируемых электронов (рис. 3), макс, энергия к-рых обычно приближается к E_и-2Ф, зависит от распределения электронов по энергиям в зоне проводимости металла (или в валентной зоне полупроводника) и может быть использована для её определения. Кинетич. выбивание обусловлено ударной ионизацией атомов поверхностного слоя мишени и бомбардирующих частиц. Для него характерен энергетич. порог E_п (рис. 4). При бомбардировке тугоплавких металлов ионами Li⁺ (и более тяжёлыми) E_п>1 кэВ; для диэлектриков, напр. шёлочно-калоидных кристаллов, E_п~0,140,2 кэВ. За порогом коэф. кинетич. выбивания g_к растёт, выходит на плато и далее уменьшается (рис. 4). Для ионов Н⁺ максимум эмиссии наблюдается при E_и=100 кэВ (для металлов g_к^макс@1,5); для более тяжёлых

Рис. 4. Вид зависимости коэффициента кинетического выбивания g_к от энергии ионов E для W, КВr(а) и Сu (б) при бомбардировке ионами.

ионов E - порядка неск. МэВ, а g_к может достигать десятков и зависит от состояния поверхности. В вакуум выходят как электроны атомов мишени, так и самих бомбардирующих частиц. Hек-рое кол-во электронов возбуждается быстрыми атомами отдачи. В случае монокристаллов g_к различны для разных граней и немонотонно зависят от угла падения ионов. Распределение эмитированных электронов по энергиям имеет максимум (~143эВ) и протяжённый спад, на к-ром выделяются пики и ступеньки, связанные с оже-переходами в соударяющихся частицах и др. процессами (рис. 5). На анализе этих особенностей спектров основана т. н. ионная оже-спектроскопия поверхности твёрдого тела.

Рис. 5. Энергетический спектр электронов при кинетическом выбивании.

Потенц. и кинетич. И--э. э. металлов пространственно н во времени разделены. При подлёте ионов к поерхности сначала происходит их нейтрализация и испускаются электроны, обусловливающие потенц. И--э. э. Затем при соударениях атомных частиц возникают электроны, обусловливающие кннетич. И--э. э. Обычно обе И--э. э. аддитивны: g=g_п+g_к (рис. 2). Аддитивность может не иметь места при облучении ионами диэлектриков и плёнок сложного состава. Разогревание материала интенсивным ионным пучком, зарядка им поверхности плёнок и т. п. могут приводить к появлению термоэлектронной и полевой электронной эмиссий. Лит.: Петров Н. Н., Аброян И. А., Диагностика поверхности с помощью ионных пучков, Л., 1977; Xэгструм X., Исследование электронной структуры адсорбатов методами ионно-нейтрализацнонной и фотоэлектронной спектроскопии, в кн.: Электронная и ионная спектроскопия твёрдых тел, пер. с англ., М., 1981; Дорожкин А. А., Петров Н. Н., Ионная оже-спектроскопия, Л., 1983. Н. Н. Петров.