真空擊穿是制約高性能電氣裝備（粒子加速器、真空斷路器、X射線管等）和電真空器件（微納真空器件等）性能提升和運行可靠性的主要因素之一，隨著真空裝備和器件的體積越來越緊湊、工作電場越來越高，強電場作用下真空擊穿的起始機制及其微觀動力學過程成為真空絕緣領域的基礎理論問題。盡管相關研究認為在真空環境中強電場會驅動電極材料表面微觀結構變化，形成誘導擊穿的前驅體，并最終導致真空擊穿，然而，至今仍無法實現直接實驗觀察真空擊穿起始階段電極材料表面微納尺度形貌演變的動態過程。

       近日，西安交通大學電氣工程學院孟國棟副教授、成永紅教授研究團隊與愛沙尼亞塔爾圖大學/芬蘭赫爾辛基大學Andreas Kyritsakis副教授研究團隊開展合作，針對“強電場與電極材料相互作用”這一關鍵科學問題，提出了利用高分辨透射電子顯微鏡開展原位電學與微觀形貌表征，系統研究了極端強電場（~GV/m）作用下金屬表面碳層的形貌演變動力學過程。在國際上首次實時觀察到非晶碳層表面的納米突起的產生與生長過程，結合場致電子發射電流的變化特征發現了納米突起生長的不同發展階段，揭示了材料形貌演變特征與場致電子發射特性的內在聯系。研究提出了場致表面原子擴散機制：即局域高電場會顯著改變表面原子間的遷移勢壘，驅動表面原子向更高場強方向擴散，最終形成擊穿前驅體并誘導擊穿發生。評審專家評價該研究：“This work could be seen as a good starting point to encourage further work in this direction”。研究成果有助于深入認識真空擊穿過程中電場與電極材料相互作用，從材料微觀尺度理解真空擊穿的起始機制，為解決高能物理裝置與微納器件中的真空擊穿問題奠定理論基礎。

      該研究成果以《鎢納米尖端表面碳層的場致納米突起生長的原位觀察》（In situobservation of field-induced nanoprotrusion growth on a carbon-coated tungsten nanotip）為題在物理學旗艦期刊《物理評論快報》（Physical Review Letters）發表，電氣工程學院孟國棟副教授為論文第一作者和通訊作者，博士生李伊濛為學生第一作者，愛沙尼亞塔爾圖大學/芬蘭赫爾辛基大學Andreas Kyritsakis副教授為共同通訊作者。西安交通大學成永紅教授、塔爾圖大學Roni Aleksi Koitermaa, Veronika Zadin為論文共同作者。

場致納米突起產生與生長示意圖

       研究工作得到了國家自然科學基金面上項目、中央高?；究蒲袠I務費、歐盟“地平線2020”計劃及愛沙尼亞研究理事會RVTT3項目等項目支持，西安交通大學微納尺度材料行為研究中心和澤攸科技有限公司在實驗設備方面的大力支持。

       孟國棟、成永紅團隊長期從事介電系統放電擊穿與絕緣研究，在微納尺度絕緣與擊穿、強電場下電極微觀形貌演變等研究方面取得了一系列重要研究成果，研究成果已經發表于J. Phys. D: Appl. Phys.、Nanoscale、J. Appl. Phys.、Phys. Plasmas、IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul.等期刊上，團隊核心成員博士生李伊濛獲得第30屆國際真空放電及電氣絕緣會議杰出青年研究者獎。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.176201

孟國棟副教授個人主頁：https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/gdmeng

本稿件來自西安交通大學

（供稿：學術部）