Nature子刊 | 揭示金屬納米結構中電場驅動的變形動力學機制

隨著納米加工與微納電子器件的快速發展，具有納米間隙和尖部電極結構的器件在高速開關、場發射與惡劣環境應用中展現出獨特優勢。高電場條件下，器件可實現低功耗、高響應速度的電子輸運模式，但與此同時，電極尺度不斷縮小使其更易受到表面能、尺寸效應及電子輸運行為變化的影響，器件穩定性逐漸成為制約工程化應用的關鍵因素。

在實際工作條件下，強電場與發射電流會誘發金屬納米結構產生復雜的形貌演化與內部結構重排，其機理往往超出傳統宏觀電遷移或熱效應模型的適用范圍。不同晶向、尺寸與表面狀態對變形路徑具有顯著影響，而相關過程又難以通過常規表征手段直接捕捉。這種機理認知的不充分，使得器件壽命評估、失效預測與結構優化缺乏可靠依據，仍是該領域有待突破的核心挑戰。

針對上述問題，由西安交通大學、芬蘭赫爾辛基大學等組成的團隊利用澤攸科技的原位TEM測量系統進行了系統研究，直接揭示了強電場下金屬納米電極的真實變形動力學機制，發現電場與電子風協同作用可在遠低于傳統認知閾值的條件下主導納米結構演化，為納米電子器件可靠性提升提供了關鍵理論基礎。

論文首先聚焦于高電場條件下金屬納米電極的可靠性問題，明確指出納米間隙器件在場發射與超快電子學中的應用潛力，正受到電極結構不穩定性的嚴重制約。傳統研究多基于宏觀尺度或間接推斷，往往將失效歸因于熱效應或經典電遷移機制，但在納米尺度下，表面能、尺寸效應和局域電場增強共同作用，使真實的變形路徑和主導機理長期缺乏直接證據，這一認知空白構成了本文研究的核心出發點。

圖1 實驗平臺示意圖及場發射過程中頂端半徑為3nm的鎢納米尖（陰極）的變形特征

圍繞上述問題，研究構建了一套可在透射電鏡中施加強電場并同步成像的原位實驗方案，其中電偏置加載與納米間隙精密調控由澤攸科技提供的原位TEM測量系統實現。該裝置使研究人員能夠在室溫和高真空環境下，連續跟蹤金屬納米尖部在電場與發射電流共同作用下的形貌演化和晶體缺陷行為，從而避免了事后表征帶來的信息缺失，為獲取高時間分辨和高空間分辨的“過程型證據"提供了關鍵技術支撐。

圖2 場發射過程中頂端半徑為5nm的鎢納米尖（陰極）的變形特征

通過對不同曲率半徑鎢納米尖部的系統研究，論文揭示了納米結構在強電場中會經歷由近球形向多面體、再回到近球形的可逆演化過程。這一過程強烈依賴于尺寸和晶體取向，小尺寸電極在較低電場下即可發生明顯原子脫附和表面重構，而較大尺寸則表現出顯著遲滯甚至形貌穩定性。該結果表明，傳統基于宏觀經驗的電場閾值判斷在納米尺度下并不成立，尺寸效應是決定結構演化路徑的關鍵因素。

圖3 高電場條件下頂端半徑為2nm的鎢納米尖（陽極）的變形特征

在機理層面，研究通過對比正向場發射與反向極性實驗，厘清了電場本身與電子風效應在變形過程中的相對作用，證明在無外加加熱條件下，場輔助原子蒸發而非單純表面擴散，是主導納米電極演化的核心機制。這一結論為理解納米器件的早期失效提供了更具物理約束性的解釋框架，也為未來在材料選擇、電極幾何設計和工作電場窗口設定方面提供了可直接參考的科學依據，使該研究具備明確的工程外推價值與高信度引用基礎。

圖4 高電場條件下頂端半徑為5nm的鎢納米尖（陽極）的變形特征

JEOL雙傾探針桿

澤攸科技專注于掃描電子顯微鏡、原位測量系統、臺階儀、納米位移臺、光柵尺、探針臺、電子束光刻機、二維材料轉移臺、超高真空組件及配件、壓電物鏡、等離子體化學氣相沉積系統等精密設備的研究，滿足國家在科學精密儀器領域的諸多空白。澤攸科技以自主知識產權的技術為核心，依托一支專業的研發與生產團隊，經過二十多年的技術積累，在半導體加工設備和材料表征測量領域已屬于國內頭部。公司承擔和參與了國家重點研發計劃、國家重大科研裝備研制項目等多個重量級科研項目，多次實現國內材料表征測量設備的“國產替代"，相關產品具有較好的國際聲譽、產品檢測數據被國際盛名期刊采納。