论文：In situ observation of field-induced nanoprotrusion growth on a carbon-coated tungsten nanotip

作者：Guodong Meng*, Yimeng Li, Roni Aleksi Koitermaa, Veronika Zadin, Yonghong Cheng, and Andreas Kyritsakis*

主要内容：

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。

团队针对“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。

全文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.176201

合作者信息：爱沙尼亚塔尔图大学Andreas Kyritsakis副教授，主要研究方向为高电场下电子发射、真空电弧和纳米材料行为的理论/计算模型。

基金资助信息：研究工作得到了国家自然科学基金面上项目（51977169）、中央高校基本科研业务费（xtr062023001）、欧盟“地平线2020”计划（European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme ERA Chair “MATTER”）及爱沙尼亚研究理事会的RVTT3项目（Estonian Research Council’s project RVTT3-“CERN Science Consortium of Estonia”）等项目支持，以及西安交通大学微纳尺度材料行为研究中心（CAMP-Nano）和泽攸科技有限公司在实验设备方面的大力支持。