Nature子刊 | 揭示金属纳米结构中电场驱动的变形动力学机制

随着纳米加工与微纳电子器件的快速发展，具有纳米间隙和尖部电极结构的器件在高速开关、场发射与恶劣环境应用中展现出独特优势。高电场条件下，器件可实现低功耗、高响应速度的电子输运模式，但与此同时，电极尺度不断缩小使其更易受到表面能、尺寸效应及电子输运行为变化的影响，器件稳定性逐渐成为制约工程化应用的关键因素。

在实际工作条件下，强电场与发射电流会诱发金属纳米结构产生复杂的形貌演化与内部结构重排，其机理往往超出传统宏观电迁移或热效应模型的适用范围。不同晶向、尺寸与表面状态对变形路径具有显著影响，而相关过程又难以通过常规表征手段直接捕捉。这种机理认知的不充分，使得器件寿命评估、失效预测与结构优化缺乏可靠依据，仍是该领域有待突破的核心挑战。

针对上述问题，由西安交通大学、芬兰赫尔辛基大学等组成的团队利用泽攸科技的原位TEM测量系统进行了系统研究，直接揭示了强电场下金属纳米电极的真实变形动力学机制，发现电场与电子风协同作用可在远低于传统认知阈值的条件下主导纳米结构演化，为纳米电子器件可靠性提升提供了关键理论基础。

论文首先聚焦于高电场条件下金属纳米电极的可靠性问题，明确指出纳米间隙器件在场发射与超快电子学中的应用潜力，正受到电极结构不稳定性的严重制约。传统研究多基于宏观尺度或间接推断，往往将失效归因于热效应或经典电迁移机制，但在纳米尺度下，表面能、尺寸效应和局域电场增强共同作用，使真实的变形路径和主导机理长期缺乏直接证据，这一认知空白构成了本文研究的核心出发点。

图1 实验平台示意图及场发射过程中顶端半径为3nm的钨纳米尖（阴极）的变形特征

围绕上述问题，研究构建了一套可在透射电镜中施加强电场并同步成像的原位实验方案，其中电偏置加载与纳米间隙精密调控由泽攸科技提供的原位TEM测量系统实现。该装置使研究人员能够在室温和高真空环境下，连续跟踪金属纳米尖部在电场与发射电流共同作用下的形貌演化和晶体缺陷行为，从而避免了事后表征带来的信息缺失，为获取高时间分辨和高空间分辨的“过程型证据"提供了关键技术支撑。

图2 场发射过程中顶端半径为5nm的钨纳米尖（阴极）的变形特征

通过对不同曲率半径钨纳米尖部的系统研究，论文揭示了纳米结构在强电场中会经历由近球形向多面体、再回到近球形的可逆演化过程。这一过程强烈依赖于尺寸和晶体取向，小尺寸电极在较低电场下即可发生明显原子脱附和表面重构，而较大尺寸则表现出显著迟滞甚至形貌稳定性。该结果表明，传统基于宏观经验的电场阈值判断在纳米尺度下并不成立，尺寸效应是决定结构演化路径的关键因素。

图3 高电场条件下顶端半径为2nm的钨纳米尖（阳极）的变形特征

在机理层面，研究通过对比正向场发射与反向极性实验，厘清了电场本身与电子风效应在变形过程中的相对作用，证明在无外加加热条件下，场辅助原子蒸发而非单纯表面扩散，是主导纳米电极演化的核心机制。这一结论为理解纳米器件的早期失效提供了更具物理约束性的解释框架，也为未来在材料选择、电极几何设计和工作电场窗口设定方面提供了可直接参考的科学依据，使该研究具备明确的工程外推价值与高信度引用基础。

图4 高电场条件下顶端半径为5nm的钨纳米尖（阳极）的变形特征

JEOL双倾探针杆

泽攸科技专注于扫描电子显微镜、原位测量系统、台阶仪、纳米位移台、光栅尺、探针台、电子束光刻机、二维材料转移台、超高真空组件及配件、压电物镜、等离子体化学气相沉积系统等精密设备的研究，满足国家在科学精密仪器领域的诸多空白。泽攸科技以自主知识产权的技术为核心，依托一支专业的研发与生产团队，经过二十多年的技术积累，在半导体加工设备和材料表征测量领域已属于国内头部。公司承担和参与了国家重点研发计划、国家重大科研装备研制项目等多个重量级科研项目，多次实现国内材料表征测量设备的“国产替代"，相关产品具有较好的国际声誉、产品检测数据被国际盛名期刊采纳。