隨著納米加工與微納電子器件的快速發(fā)展，具有納米間隙和尖部電極結(jié)構(gòu)的器件在高速開關(guān)、場發(fā)射與惡劣環(huán)境應(yīng)用中展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢。高電場條件下，器件可實現(xiàn)低功耗、高響應(yīng)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(yīng)及電子輸運行為變化的影響，器件穩(wěn)定性逐漸成為制約工程化應(yīng)用的關(guān)鍵因素。

在實際工作條件下，強電場與發(fā)射電流會誘發(fā)金屬納米結(jié)構(gòu)產(chǎn)生復(fù)雜的形貌演化與內(nèi)部結(jié)構(gòu)重排，其機理往往超出傳統(tǒng)宏觀電遷移或熱效應(yīng)模型的適用范圍。不同晶向、尺寸與表面狀態(tài)對變形路徑具有顯著影響，而相關(guān)過程又難以通過常規(guī)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(yù)測與結(jié)構(gòu)優(yōu)化缺乏可靠依據(jù)，仍是該領(lǐng)域有待突破的核心挑戰(zhàn)。

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(tǒng)進行了系統(tǒng)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(fā)現(xiàn)電場與電子風協(xié)同作用可在遠低于傳統(tǒng)認知閾值的條件下主導(dǎo)納米結(jié)構(gòu)演化，為納米電子器件可靠性提升提供了關(guān)鍵理論基礎(chǔ)。

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(fā)射與超快電子學中的應(yīng)用潛力，正受到電極結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性的嚴重制約。傳統(tǒng)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(yīng)或經(jīng)典電遷移機制，但在納米尺度下，表面能、尺寸效應(yīng)和局域電場增強共同作用，使真實的變形路徑和主導(dǎo)機理長期缺乏直接證據(jù)，這一認知空白構(gòu)成了本文研究的核心出發(fā)點。

圖1 實驗平臺示意圖及場發(fā)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(gòu)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(diào)控由澤攸科技提供的原位TEM測量系統(tǒng)實現(xiàn)。該裝置使研究人員能夠在室溫和高真空環(huán)境下，連續(xù)跟蹤金屬納米尖部在電場與發(fā)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(jù)"提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。

圖2 場發(fā)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(tǒng)研究，論文揭示了納米結(jié)構(gòu)在強電場中會經(jīng)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(fā)生明顯原子脫附和表面重構(gòu)，而較大尺寸則表現(xiàn)出顯著遲滯甚至形貌穩(wěn)定性。該結(jié)果表明，傳統(tǒng)基于宏觀經(jīng)驗的電場閾值判斷在納米尺度下并不成立，尺寸效應(yīng)是決定結(jié)構(gòu)演化路徑的關(guān)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(fā)射與反向極性實驗，厘清了電場本身與電子風效應(yīng)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(fā)而非單純表面擴散，是主導(dǎo)納米電極演化的核心機制。這一結(jié)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(shè)計和工作電場窗口設(shè)定方面提供了可直接參考的科學依據(jù)，使該研究具備明確的工程外推價值與高信度引用基礎(chǔ)。

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(tǒng)、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(zhuǎn)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(tǒng)等精密設(shè)備的研究，滿足國家在科學精密儀器領(lǐng)域的諸多空白。澤攸科技以自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)為核心，依托一支專業(yè)的研發(fā)與生產(chǎn)團隊，經(jīng)過二十多年的技術(shù)積累，在半導(dǎo)體加工設(shè)備和材料表征測量領(lǐng)域已屬于國內(nèi)頭部。公司承擔和參與了國家重點研發(fā)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(xiàn)國內(nèi)材料表征測量設(shè)備的“國產(chǎn)替代"，相關(guān)產(chǎn)品具有較好的國際聲譽、產(chǎn)品檢測數(shù)據(jù)被國際盛名期刊采納。