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在高能物理設(shè)備和許多其他設(shè)備中，真空擊穿（VBD）現(xiàn)象對高能物理設(shè)備的性能造成了嚴(yán)重的阻礙，包括真空斷路器、X射線源、聚變反應(yīng)堆以及粒子加速器等。然而由于對導(dǎo)致VBD的機(jī)制缺乏足夠的科學(xué)理解，這些問題至今無法得到緩解。普遍認(rèn)為，導(dǎo)致等離子體起始的初始蒸汽和離子群是由加熱引起的原子蒸發(fā)產(chǎn)生的，這是由局部場電子發(fā)射點進(jìn)入熱失控過程引起的。但是要發(fā)生這樣的過程，需要假設(shè)金屬表面上的局部尖銳突起能夠?qū)崿F(xiàn)幾何場增強(qiáng)（數(shù)百倍），這在實驗上尚未觀察到，尤其是在金屬表面經(jīng)過前期處理之后。

盡管工業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)驗表明，金屬表面上的吸附物或污染物（如碳化合物等）的擴(kuò)散可能在幾何場增強(qiáng)和隨后的高電場下電擊穿中起著主導(dǎo)作用，但導(dǎo)致這種現(xiàn)象的確機(jī)制尚未被理解，其與VBD條件的相關(guān)性也未得到證明。

針對以上問題，西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院孟國棟副教授、成永紅教授研究團(tuán)隊與愛沙尼亞塔爾圖大學(xué)/芬蘭赫爾辛基大學(xué)Andreas Kyritsakis副教授研究團(tuán)隊利用澤攸科技的原位TEM技術(shù)，對涂覆有非晶碳（a-C）層的鎢（W）納米尖端進(jìn)行了場發(fā)射（FE）測量和原位成像，揭示了在特定條件下，F(xiàn)E電流-電壓（I-V）曲線突然轉(zhuǎn)變?yōu)樵鰪?qiáng)電流狀態(tài)，暗示了NP的生長。通過有限元分析排除了場誘導(dǎo)塑性變形的替代可能性后，初步將這種現(xiàn)象歸因于表面a-C原子的場誘導(dǎo)偏置擴(kuò)散。

相關(guān)研究成果以“In Situ Observation of Field-Induced Nanoprotrusion Growth on a Carbon-Coated Tungsten Nanotip.”為題，發(fā)表在《Physical Review Letters》期刊上，DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.176201。

圖 1. (a) 原位形態(tài)表征和場發(fā)射測量系統(tǒng)的示意圖。(b) 非晶碳涂層的鎢納米尖端和金板陽極的透射電子顯微鏡（TEM）圖像。(c) 在 d3 間隙下進(jìn)行場發(fā)射（FE）測量后，a-C 涂層的鎢納米尖端的 TEM 圖像以及相應(yīng)的納米突起生長。(d) 納米尖端和陽極接觸的 TEM 圖像。圖 (d) 中的插圖：短路期間的 I-V 曲線，相應(yīng)的涂層電阻率為約 3.28 × 10^6 Ω·納米。

研究團(tuán)隊首先對鎢（W）納米尖端進(jìn)行了精細(xì)的電化學(xué)蝕刻處理，形成了半徑約為20納米的尖銳尖端，并在其上沉積了非晶碳（a-C）薄膜。在JEOL-2010F TEM的高真空環(huán)境下，通過準(zhǔn)確調(diào)整電極間隙，研究人員能夠在原子尺度上觀察到納米尖端的形態(tài)演變和場發(fā)射特性的實時變化。

圖 2. 展示了不同納米間隙下，非晶碳（a-C）涂層的鎢（W）納米尖端的測量場發(fā)射電流-電壓（I-V）曲線（點線）。

實驗中，研究人員記錄了場發(fā)射電流-電壓（I-V）曲線在不同間隙距離下的演變情況。他們發(fā)現(xiàn)，在特定的電場條件下，I-V曲線會突然從低電流狀態(tài)躍升到高電流狀態(tài)，這一現(xiàn)象表明了納米突起的生長。通過對比實驗數(shù)據(jù)和場發(fā)射模擬結(jié)果，研究人員證實了在W納米尖端頂部確實形成了NP，并且這一結(jié)構(gòu)的生長與實驗中觀察到的電流增強(qiáng)現(xiàn)象一致。

圖 3.場致納米突起產(chǎn)生與生長示意圖。

為了揭示NP生長的物理機(jī)制，研究人員進(jìn)行了有限元分析（FEA），排除了場誘導(dǎo)塑性變形的可能性。他們提出了一種假設(shè)，即表面a-C原子的場誘導(dǎo)偏置擴(kuò)散可能是導(dǎo)致NP生長的原因。在高電場的作用下，表面原子的遷移勢壘被顯著改變，導(dǎo)致原子向電場強(qiáng)度更高的區(qū)域擴(kuò)散，從而促進(jìn)了NP的形成。

此外，研究人員還觀察到了NP生長的動態(tài)過程，這不僅證實了他們的假設(shè)，而且為理解在高電場作用下金屬表面的行為提供了新的視角。這項研究不僅增進(jìn)了我們對真空擊穿機(jī)制的理解，而且為設(shè)計更可靠的高能物理設(shè)備提供了重要的科學(xué)依據(jù)。

本研究中用到的澤攸科技原位STM-TEM電學(xué)測量系統(tǒng)