在高能物理设备和许多其他设备中，真空击穿（VBD）现象对高能物理设备的性能造成了严重的阻碍，包括真空断路器、X射线源、聚变反应堆以及粒子加速器等。然而由于对导致VBD的机制缺乏足够的科学理解，这些问题至今无法得到缓解。普遍认为，导致等离子体起始的初始蒸汽和离子群是由极端加热引起的原子蒸发产生的，这是由局部场电子发射点进入热失控过程引起的。但是要发生这样的过程，需要假设金属表面上的局部尖锐突起能够实现极高的几何场增强（数百倍），这在实验上尚未观察到，尤其是在金属表面经过前期处理之后。
尽管工业生产的经验表明，金属表面上的吸附物或污染物（如碳化合物等）的扩散可能在极高几何场增强和随后的高电场下电击穿中起着主导作用，但导致这种现象的确切机制尚未被理解，其与VBD条件的相关性也未得到证明。
针对以上问题，西安交通大学电气工程学院孟国栋副教授、成永红教授研究团队与爱沙尼亚塔尔图大学/芬兰赫尔辛基大学Andreas Kyritsakis副教授研究团队利用泽攸科技的原位TEM技术，对涂覆有非晶碳（a-C）层的钨（W）纳米尖端进行了场发射（FE）测量和原位成像，揭示了在特定条件下，FE电流-电压（I-V）曲线突然转变为增强电流状态，暗示了NP的生长。通过有限元分析排除了场诱导塑性变形的替代可能性后，初步将这种现象归因于表面a-C原子的场诱导偏置扩散。
相关研究成果以“In Situ Observation of Field-Induced Nanoprotrusion Growth on a Carbon-Coated Tungsten Nanotip.”为题，发表在《Physical Review Letters》期刊上，DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.176201。
图 1. (a) 原位形态表征和场发射测量系统的示意图。(b) 非晶碳涂层的钨纳米尖端和金板阳极的透射电子显微镜（TEM）图像。(c) 在 d3 间隙下进行场发射（FE）测量后，a-C 涂层的钨纳米尖端的 TEM 图像以及相应的纳米突起生长。(d) 纳米尖端和阳极接触的 TEM 图像。图 (d) 中的插图：短路期间的 I-V 曲线，相应的涂层电阻率为约 3.28 × 10^6 Ω·纳米。
研究团队首先对钨（W）纳米尖端进行了精细的电化学蚀刻处理，形成了半径约为20纳米的尖锐尖端，并在其上沉积了非晶碳（a-C）薄膜。在JEOL-2010F TEM的高真空环境下，通过精确调整电极间隙，研究人员能够在原子尺度上观察到纳米尖端的形态演变和场发射特性的实时变化。
图 2. 展示了不同纳米间隙下，非晶碳（a-C）涂层的钨（W）纳米尖端的测量场发射电流-电压（I-V）曲线（点线）。
实验中，研究人员记录了场发射电流-电压（I-V）曲线在不同间隙距离下的演变情况。他们发现，在特定的电场条件下，I-V曲线会突然从低电流状态跃升到高电流状态，这一现象表明了纳米突起的生长。通过对比实验数据和场发射模拟结果，研究人员证实了在W纳米尖端顶部确实形成了NP，并且这一结构的生长与实验中观察到的电流增强现象一致。
图 3.场致纳米突起产生与生长示意图。
为了揭示NP生长的物理机制，研究人员进行了有限元分析（FEA），排除了场诱导塑性变形的可能性。他们提出了一种假设，即表面a-C原子的场诱导偏置扩散可能是导致NP生长的原因。在高电场的作用下，表面原子的迁移势垒被显著改变，导致原子向电场强度更高的区域扩散，从而促进了NP的形成。
此外，研究人员还观察到了NP生长的动态过程，这不仅证实了他们的假设，而且为理解在高电场作用下金属表面的行为提供了新的视角。这项研究不仅增进了我们对真空击穿机制的理解，而且为设计更可靠的高能物理设备提供了重要的科学依据。
本研究中用到的泽攸科技原位STM-TEM电学测量系统
TEM原位解决方案-产品中心-泽攸科技-用精密量测赋能科技创新【官网】 (zeptools.cn)
