9.8. Массоперенос и ионизация на поверхности.

Межфазные характеристики.

9.8.1. Массоперенос и ионизация на поверхности.

В процессах поверхностного массопереноса проявляются коллектив-ные эффекты. Одним из таких процессов на поверхности является поверх-ностная диффузия.

Поверхностная диффузия представляет собой процесс перемещения атомов или молекул за счет их случайных блужданий на поверхности конденсированного тела.

Процесс диффузии происходит в пределах первого поверхностного слоя атомов или молекул или поверх этого слоя. Энергетические барьеры на поверхности существенно ниже энергетических барьеров в объеме твердого тела, поэтому энергия активации для поверхностной диффузии составляет долю энергии активации для диффузии в объеме. Существуют различные механизмы поверхностной диффузии, которые зависят от кристаллической природы подложки и степени покрытия подложки диффузантом (рис. 9.8.1). В целом коэффициенты диффузии по поверхности на 2–3 порядка превышают коэффициент диффузии в объеме тела.

А томы, находящиеся на поверхности, колеблются с некоторой часто-той ν₀, как нормально к поверхности, так и параллельно ей. В процессе коле-баний атом взаимодействует с потенциальными барьерами, которые отделя-ют его от соседних атомов, однако тепловые флуктуации могут придать атому энергию, достаточную для того, чтобы преодолеть барьер и покинуть первоначальное положение.

На реальной поверхности всегда существует множество дефектов атомарного масштаба.

Обычно поверхностную диффузию рассматривают как процесс перехода неравновесной концентрации адсорбата к равновесной при наличии соответствующих градиентов концентрации.

На поверхности могут происходить следующие процессы:

одинокий атом (10) может «прыгать» по террасе, перемещаясь сразу на несколько постоянных решетки;

адатом (8) может диффундировать вдоль края уступа (5);

вакансия (9) может диффундировать на поверхности путем последо-вательного заполнения ее соседними атомами;

сложные процессы на основе первых трех, рассмотренных выше, так как число связей у атома на поверхности и их энергии меньше, чем для такого же атома в объеме. Энергия активации перемещения (диффузии) по поверхности меньше, и процесс происходит с меньшими энергетическими затратами.

Обилие поверхностей разделов на границах зерен наноматериалов стимулирует интенсивные диффузионные потоки. К сожалению, до конца не прояснена природа массопереноса, а также атомные механизмы диффузии в наноматериалах. С этим связаны трудности в воспроизводимости структуры и свойств нанообъектов.

Поверхностная ионизация. Поверхностная ионизация представляет собой процесс образования ионов за счет термической десорбции частиц с поверхности твердого тела.

В результате поверхностной ионизации образуются положительные и отрицательные ионы атомов, молекул, радикалов и ассоциатов.

Под ассоциатами будем понимать частицы, образующиеся путем присоединения к молекуле атома или другой частицы.

Поверхностная ионизация является термически равновесным процес-сом. Испарившиеся частицы имеют больцмановское распределение по энергии с температурой Т, равной температуре твердого тела.

Процесс поверхностной ионизации может быть описан формулой Саха –Ленгмюра

, (9.8.1)

где α ⁺ – степень поверхностной ионизации, равная отношению концентрации ионов (N⁺) и атомов (N₀), А⁺ – отношение статистических весов состояний положительных ионов и атомов, q – элементарный заряд, qφ – работа выхода электрона с поверхности, U – потенциал ионизации атома, Т – температура поверхности, k — постоянная Больцмана.

Аналогично можно описать процесс ионизации с образованием отри-цательных ионов:

, (9.8.2)

где S – сродство электронов к атому, или способность образовывать прочную связь.

Поверхностная ионизация на нагретых поверхностях приводит к ионизации атомов многих элементов, ряда молекул, в том числе и органи-ческих соединений. Наблюдается поверхностная ионизация частиц, образо-ванных в результате химических реакций на поверхности.

Величина α называется степенью ионизации, она характеризует зарядовое равновесие в испаряющемся потоке частиц и не зависит от способа поступления частиц на поверхность.

Для вычисления плотностей J стационарных потоков вводят коэф-фициент поверхностной ионизации

, (9.8.3)

где v* – ионные потоки обоих знаков, v — поток поступающих частиц извне.

В этом случае

, (9.8.4)

Поверхностная ионизация – эффективный способ ионизации частиц, позволяющая получить токи положительных ионов от частиц с V ≤ 9 В и отрицательных ионов от частиц с S ≥ 0,6 В.