【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院孟國棟教授團(tuán)隊(duì)在微納尺度真空絕緣領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。該研究首次從實(shí)驗(yàn)層面揭示了金屬納米結(jié)構(gòu)在極端電場(chǎng)下的損傷機(jī)制，為攻克長(zhǎng)期制約粒子加速器、高端真空開關(guān)及下一代微電子器件發(fā)展的真空絕緣失效難題，提供了關(guān)鍵的理論與實(shí)驗(yàn)依據(jù)。相關(guān)成果已發(fā)表于國際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》(Nature Communications)。
 

　　直面應(yīng)用瓶頸：從微觀源頭破解絕緣失效難題
 

　　在現(xiàn)代科技裝備不斷向更小尺度、更高場(chǎng)強(qiáng)、更復(fù)雜環(huán)境發(fā)展的趨勢(shì)下，真空絕緣的可靠性已成為決定性因素。無論是大科學(xué)裝置中的粒子加速器，還是電力系統(tǒng)中的真空斷路器，其性能極限往往受制于難以預(yù)測(cè)的突發(fā)性真空電擊穿。研究指出，擊穿常始于電極表面肉眼不可見的納米級(jí)微小突起，這些“薄弱點(diǎn)”在強(qiáng)電場(chǎng)下會(huì)產(chǎn)生巨大的局部場(chǎng)增強(qiáng)，引發(fā)電子發(fā)射，最終導(dǎo)致絕緣體系的崩潰。因此，闡明納米尺度上的材料行為，是從根源上提升絕緣能力的關(guān)鍵。
 

　　方法創(chuàng)新：在原子尺度“實(shí)時(shí)直播”電極演變過程
 

　　為了直接觀測(cè)這一微觀動(dòng)態(tài)過程，孟國棟教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合校內(nèi)材料學(xué)院?jiǎn)沃莻ソ淌趫F(tuán)隊(duì)及芬蘭赫爾辛基大學(xué)合作者，創(chuàng)新性地搭建了基于透射電子顯微鏡(TEM)的原位實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該技術(shù)如同一個(gè)超高分辨率的“實(shí)時(shí)直播系統(tǒng)”，能在施加超高電場(chǎng)(約十億伏特每米量級(jí))的同時(shí)，對(duì)純鎢納米針尖的原子結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行直接觀察與記錄。團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)地研究了不同尖銳程度(曲率半徑3納米、5納米和9納米)的納米針尖的行為。
 

　　核心發(fā)現(xiàn)：揭示電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)納米結(jié)構(gòu)形變的動(dòng)態(tài)機(jī)制
 

　　通過精密的實(shí)驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)取得了兩項(xiàng)重要發(fā)現(xiàn)：
 

　　演化路徑的規(guī)律：研究發(fā)現(xiàn)，納米針尖在強(qiáng)場(chǎng)下的形變具有明確的尺寸和晶體取向依賴性。特別尖銳的針尖(如3納米和5納米半徑)會(huì)經(jīng)歷從球形到多面體，再趨向類球形的復(fù)雜結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。在5納米針尖中，團(tuán)隊(duì)清晰觀測(cè)到位錯(cuò) nucleation、運(yùn)動(dòng)與消失的全過程，這直接將宏觀失效與微觀缺陷動(dòng)力學(xué)聯(lián)系起來。
 

　　主導(dǎo)機(jī)制的甄別：形變究竟由何種物理力主導(dǎo)？通過精巧設(shè)計(jì)的反極性對(duì)照實(shí)驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)成功區(qū)分了電場(chǎng)力(麥克斯韋應(yīng)力)與電子流沖擊力(電子風(fēng)力)的各自作用。最終證實(shí)，由場(chǎng)發(fā)射電子流引發(fā)的電子風(fēng)效應(yīng)及其誘導(dǎo)的場(chǎng)輔助原子蒸發(fā)，是導(dǎo)致納米結(jié)構(gòu)發(fā)生重塑和損傷的主導(dǎo)機(jī)制。這一結(jié)論為主動(dòng)抑制損傷提供了明確的調(diào)控靶點(diǎn)。
 

　　重要意義與前景
 

　　這項(xiàng)題為《揭示電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的金屬納米結(jié)構(gòu)形變動(dòng)力學(xué)機(jī)制》的研究，首次在實(shí)驗(yàn)上完整呈現(xiàn)并明確了金屬納米電極在極端電應(yīng)力下的失效微觀物理圖像。它打破了該領(lǐng)域長(zhǎng)期以來主要依賴?yán)碚撃M和宏觀推測(cè)的局面，將真空絕緣的研究精度推向了原子尺度。
 

　　該成果不僅對(duì)理解真空擊穿的物理起源具有重大科學(xué)價(jià)值，更對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用具有直接指導(dǎo)意義。它為設(shè)計(jì)抗擊穿能力更強(qiáng)的電極表面微觀結(jié)構(gòu)、研發(fā)新一代高可靠微納電子器件及高性能電氣裝備，奠定了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)基礎(chǔ)。
 

　　本研究工作由西安交通大學(xué)博士生李伊濛為第一作者，孟國棟教授等為通訊作者，并得到了國家自然科學(xué)基金等多個(gè)項(xiàng)目的支持。孟國棟教授所帶領(lǐng)的“微納尺度絕緣與放電”青年創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，長(zhǎng)期致力于電氣絕緣前沿基礎(chǔ)研究與關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，已在多個(gè)國際知名期刊發(fā)表系列成果。