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在高能物理設備和許多其他設備中，真空擊穿（VBD）現象對高能物理設備的性能造成了嚴重的阻礙，包括真空斷路器、X射線源、聚變反應堆以及粒子加速器等。然而由于對導致VBD的機制缺乏足夠的科學理解，這些問題至今無法得到緩解。普遍認為，導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產生的，這是由局部場電子發射點進入熱失控過程引起的。但是要發生這樣的過程，需要假設金屬表面上的局部尖銳突起能夠實現幾何場增強（數百倍），這在實驗上尚未觀察到，尤其是在金屬表面經過前期處理之后。

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

針對以上問題，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副教授研究團隊利用澤攸科技的原位TEM技術，對涂覆有非晶碳（a-C）層的鎢（W）納米尖端進行了場發射（FE）測量和原位成像，揭示了在特定條件下，FE電流-電壓（I-V）曲線突然轉變為增強電流狀態，暗示了NP的生長。通過有限元分析排除了場誘導塑性變形的替代可能性后，初步將這種現象歸因于表面a-C原子的場誘導偏置擴散。

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

圖 1. (a) 原位形態表征和場發射測量系統的示意圖。(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 間隙下進行場發射（FE）測量后，a-C 涂層的鎢納米尖端的 TEM 圖像以及相應的納米突起生長。(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，相應的涂層電阻率為約 3.28 × 10^6 Ω·納米。

研究團隊首先對鎢（W）納米尖端進行了精細的電化學蝕刻處理，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的高真空環境下，通過準確調整電極間隙，研究人員能夠在原子尺度上觀察到納米尖端的形態演變和場發射特性的實時變化。

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射電流-電壓（I-V）曲線（點線）。

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

圖 3.場致納米突起產生與生長示意圖。

為了揭示NP生長的物理機制，研究人員進行了有限元分析（FEA），排除了場誘導塑性變形的可能性。他們提出了一種假設，即表面a-C原子的場誘導偏置擴散可能是導致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，導致原子向電場強度更高的區域擴散，從而促進了NP的形成。

此外，研究人員還觀察到了NP生長的動態過程，這不僅證實了他們的假設，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。這項研究不僅增進了我們對真空擊穿機制的理解，而且為設計更可靠的高能物理設備提供了重要的科學依據。

本研究中用到的澤攸科技原位STM-TEM電學測量系統