3.3.8. Термоемісійні методи

3.3.8.1. "Нагрівання – електрони" /8-1/

ТЕМ – термоелектронний метод

В основі ТЕМ лежить явище термоелектронної емісії (ефект Річард-сона), тобто випускання електронів твердим тілом у результаті теплового збудження [2, 3]. Для виходу за межі тіла (емітера) у вакуум електрони повинні пройти потенціальний бар'єр на поверхні тіла, тобто виконати роботу виходу. Робота виходу  є однією з найважливіших властивостей поверхні провідника й залежить від атомної й електронної структури твердого тіла в об'ємі і на поверхні, вимірюється в еВ. Робота виходу дуже чутлива до структурного й фізико-хімічного стану поверхні, тому вона використовується для вивчення властивостей поверхні. Наприклад, чим щільніше упакована грань кристала, тим більше  (у вольфраму =4,3 еВ для граней (116) і 5,35 еВ для граней (110)). Найсильніше залежить  від природи й кількості адсорбованих домішок, наприклад, присутність на щільно упакованій грані невпорядковано розміщених атомів зменшує її. Звичайно внаслідок адсорбції  змінюється в межах 0,1–1,0 еВ.

Таким чином, для дослідження поверхні потрібно визначити . У ТЕМ для визначення  використовується залежність густини термоелек-тронного струму насичення j при заданій абсолютній температурі T від . За формулою Річардсона –Душмана [2]

, (3.7)

де A₀=120,4 Асм^–2·К^–2 – постійна Річардсона.

Загалом термоелектронні прилади складаються з вакуумної камери, блока нагрівання зразка, а також системи реєстрації струму й температури. Відомі прилади, що забезпечують вимірювання  в інтервалі 1,8 – 5,3 еВ з точністю 0,05 еВ.

Теем – термоелектронна емісійна мікроскопія

Особливістю ТЕЕМ порівняно зі звичайною електронною мікроскопією є те, що сам зразок служить джерелом електронів, які формують зображення його поверхні [2]. Для ТЕЕМ характерна також незалежність формування контрасту від стану рельєфу поверхні. Контраст деталей зображення визначається кількістю емітованих електронів і залежить, головним чином, від кристалографічних властивостей ділянок поверхні. ТЕЕМ використовується для дослідження катодних матеріалів, а також структурних досліджень у металознавстві (наприклад при вивченні рекристалізації, росту зерен). Термоелектронні емісійні мікроскопи складаються з вакуумної камери, нагрівача зразка, електронно-оптичної системи (електромагнітні та електростатичні лінзи для прискорення, колімації й фокусування емітованих електронів) і системи реєстрації електронів (наприклад, люмінесцентний екран). Оптична роздільна знадність ТЕЕМ дорівнює майже 50 нм й наближується до теоретичної межі (10–15 нм), збільшення мікроскопів досягає 1000.

3.3.8.2. "Нагрівання – іони" /8-2/

МПІ – метод поверхневої іонізації

В основі МПІ лежить явище утворення позитивних та негативних іонів із пучка атомів або молекул, які падають на поверхню нагрітого металу. Кількісною оцінкою процесу поверхневої іонізації є ступінь іонізації [2]

, (3.8)

де n⁺ і n⁰ – потоки одночасно десорбованих іонів і нейтральних частинок.

Залежність ⁺ від  металу, потенціалу іонізації падаючих на поверхню атомів V_i і температури поверхні T визначається рівнянням Саха – Ленгмюра [2]

, (3.9)

де A+ – відношення статистичних сум для станів позитивного іона й нейтрального атома при однаковій температурі.

Найпоширеніший спосіб визначення  полягає у встановленні температурної залежності струму іонів. МПІ використовується для обчислення потенціалів іонізації атомів, дослідження процесів адсорбції та ін. Для дослідження іонних струмів у МПІ використовують мас-спектометри, які дають можливість контролювати склад і величину власної термоіонної емісії зразка, підвищити ступінь чистоти досліджуваних атомних і молекулярних потоків, розділити іони по відношенню маса/ заряд (m/q).