真空击穿是制约高性能电气装备（粒子加速器、真空断路器、X射线管等）和电真空器件（微纳真空器件等）性能提升和运行可靠性的主要因素之一，随着真空装备和器件的体积越来越紧凑、工作电场越来越高，强电场作用下真空击穿的起始机制及其微观动力学过程成为真空绝缘领域的基础理论问题。尽管相关研究认为在真空环境中强电场会驱动电极材料表面微观结构变化，形成诱导击穿的前驱体，并最终导致真空击穿，然而，至今仍无法实现直接实验观察真空击穿起始阶段电极材料表面微纳尺度形貌演变的动态过程。
近日，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副教授研究团队开展合作，针对“强电场与电极材料相互作用”这一关键科学问题，提出了利用高分辨透射电子显微镜开展原位电学与微观形貌表征，系统研究了极端强电场（~GV/m）作用下金属表面碳层的形貌演变动力学过程。在国际上首次实时观察到非晶碳层表面的纳米突起的产生与生长过程，结合场致电子发射电流的变化特征发现了纳米突起生长的不同发展阶段，揭示了材料形貌演变特征与场致电子发射特性的内在联系。研究提出了场致表面原子扩散机制：即局域高电场会显著改变表面原子间的迁移势垒，驱动表面原子向更高场强方向扩散，最终形成击穿前驱体并诱导击穿发生。评审专家评价该研究：“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认识真空击穿过程中电场与电极材料相互作用，从材料微观尺度理解真空击穿的起始机制，为解决高能物理装置与微纳器件中的真空击穿问题奠定理论基础。
该研究成果以《钨纳米尖端表面碳层的场致纳米突起生长的原位观察》（In situobservation of field-induced nanoprotrusion growth on a carbon-coated tungsten nanotip）为题在物理学旗舰期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）发表，电气工程学院孟国栋副教授为论文第一作者和通讯作者，博士生李伊濛为学生第一作者，爱沙尼亚塔尔图大学/芬兰赫尔辛基大学Andreas Kyritsakis副教授为共同通讯作者。西安交通大学成永红教授、塔尔图大学Roni Aleksi Koitermaa, Veronika Zadin为论文共同作者。
场致纳米突起产生与生长示意图
研究工作得到了国家自然科学基金面上项目、中央高校基本科研业务费、欧盟“地平线2020”计划及爱沙尼亚研究理事会RVTT3项目等项目支持，西安交通大学微纳尺度材料行为研究中心和泽攸科技有限公司在实验设备方面的大力支持。
孟国栋、成永红团队长期从事介电系统放电击穿与绝缘研究，在微纳尺度绝缘与击穿、强电场下电极微观形貌演变等研究方面取得了一系列重要研究成果，研究成果已经发表于J. Phys. D: Appl. Phys.、Nanoscale、J. Appl. Phys.、Phys. Plasmas、IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul.等期刊上，团队核心成员博士生李伊濛获得第30届国际真空放电及电气绝缘会议杰出青年研究者奖。
论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.176201
孟国栋副教授个人主页：https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/gdmeng
文字：孟国栋副教授团队
图片：孟国栋副教授团队
