文章导读
真空绝缘失效是制约尖端电子器件和电力装备性能的关键瓶颈，而微观的纳米突起往往是击穿的“元凶”。西安交大团队如何利用透射电镜“直播”纳米针尖在超强电场下的形变过程？他们首次在实验中揭示了主导其演化的核心机制——电子风效应，这项发表于《自然·通讯》的研究，为未来设计更可靠、更耐高压的微纳绝缘结构提供了至关重要的理论基石。
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随着粒子加速器、真空断路器、微纳电子器件等装备与器件朝着应用场合复杂化、应用尺度小型化、耐受电场强度极限化方向发展，由真空击穿引发的绝缘失效问题已成为制约其性能提升的关键瓶颈。近年研究发现，真空电击穿强度与材料的晶体结构以及材料的位错迁移率具有较强相关性，表明宏观尺度击穿过程始于微观尺度。在实际真空绝缘体系中，电极表面不可避免地存在局部薄弱部位如纳米突起等，这类纳米结构在强电场作用下形成局域电场增强和场发射，易诱导击穿发生。因此，系统研究电极表面纳米突起在强电场作用下的演化行为及其对场发射与绝缘稳定性的影响，对于真空绝缘结构优化和可靠性提升具有重要的指导意义。
基于此，西安交通大学电气工程学院、电工材料电气绝缘全国重点实验室孟国栋教授团队在前期成果（Physics of Plasmas 31 (4) ,040502, 2024; Physical Review Letters 132 (17), 176201, 2024; Nature Communications 16, 5583, 2025）基础上，联合西安交通大学材料学院单智伟教授团队及芬兰赫尔辛基大学Flyura Djurabekova教授团队，创新性地提出了基于透射电子显微镜（TEM）的原位电学测量与微观形貌表征相结合的研究方法，系统研究了不同曲率半径（R = 3 nm, 5 nm, 9nm）纯钨纳米电极在场发射作用下（~GV/m）的形变行为。研究揭示了纳米结构电极在强电场与场发射耦合作用下的微观结构演变规律，表现出显著的尺寸依赖性与晶面相关性（图1、图2）：小曲率半径电极（R = 3 nm, 5 nm）在高电场和场发射电流共同作用下遵循球形-伍尔夫多面体-类球形的演化路径，并在5 nm针尖中观察到显著的位错成核、扩散与湮灭过程。进一步地，通过分析场发射热效应和麦克斯韦应力的作用，并设计反极性对照实验成功解耦了电子风效应与电场效应，揭示了电子风效应及其诱导的场辅助蒸发为主导的形变机制。本研究首次从实验层面揭示了金属纳米电极在强电场与场发射条件下的电致损伤特性及其主导机制，为推动高性能电气装备与微纳电子器件的绝缘结构设计与可靠性优化提供了重要的实验依据和理论支撑。
图1 曲率半径为3 nm的钨针（阴极）在场发射作用下的形变特性
图2 曲率半径为5 nm的钨针（阴极）在场发射作用下的形变特性
近日，该研究成果以《揭示电场驱动的金属纳米结构形变动力学机制》（Unveiling Electric-Field-Driven Deformation Dynamics in Metal Nanostructures）为题在国际知名期刊《自然·通讯》（Nature Communications）发表，电气工程学院博士生李伊濛为论文第一作者，电气工程学院孟国栋教授为论文通讯作者，西安交通大学材料学院解德刚教授及芬兰赫尔辛基大学Flyura Djurabekova教授为共同通讯作者。研究工作得到了国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费、中国国家留学基金委项目等的资助。
孟国栋教授现为“微纳尺度绝缘与放电”校青年创新团队负责人，团队长期从事电气绝缘理论与应用、先进传感与电力设备状态检测技术研究。目前已在Phys. Rev. Lett.、Nat. Commun.、Nano Lett.、J. Phys. D: Appl. Phys.、Nanoscale、J. Appl. Phys.、Phys. Plasmas、IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul.等国际知名学术期刊发表相关研究论文70余篇，申请/授权发明专利10余项。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-67972-2
孟国栋课题组主页：http://gr.xjtu.edu.cn/web/gdmeng
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