微纳尺度电气击穿特性和放电规律研究综述

电力设备电气绝缘国家重点实验室（西安交通大学）、西安交通大学电气工程学院、麻省理工学院核科学与工程系的研究人员成永红、孟国栋、董承业，在2017年第2期《电工技术学报》上撰文指出，微纳尺度电气击穿特性和放电规律是当前国内外学者的研究热点。

本文回顾了近70年来国内外学者在该领域的主要研究工作和成果，重点从研究手段、放电规律以及物理机制等方面对不同物理尺度介电系统（宏观尺度电极/微米间隙、微米尺度电极/微米亚微米间隙、纳米尺度电极/纳米亚纳米间隙）的放电击穿特性进行了总结，阐述了电极间隙、气压、电极材料和电极形状等因素的影响机制以及不同物理尺度介电系统的放电规律。

通过对微纳尺度电气击穿特性和放电规律的概括和分析，发现当前存在的主要问题并指出下一步的研究方向，对丰富和完善微纳尺度放电击穿理论具有重要参考意义。

随着对客观世界的认识从宏观发展到介观、微观，微米、纳米甚至分子尺度的物理结构和电子器件相继出现，并在民用和军事领域得到了越来越广泛的应用。然而，随着物理尺寸的不断减小，集成度的逐步提高，这些微纳尺度的物理结构和电子器件面临着更加严峻的工作环境[1]。

一方面，真空电子器件[2]、高功率脉冲设备小型化以及紧凑型直线对撞机等高能粒子实验装置面临极端高场强下微纳尺度介电系统绝缘可靠性问题。例如，世界上最大型的粒子物理学实验室-欧洲核子研究中心CERN设计运行的紧凑型直线加速对撞机（CompactLinear Collider, CLIC），其内部的电气绝缘结构需要承受至少108V/m的极高场强[3]。

另一方面，以纳米级结构所产生的新效应（量子效应、界面效应和纳米尺度效应等）为工作特征的微纳电子器件和系统[4]，在生命科学[5]、环境科学[6]、空间技术[7]、信息技术[8]及能源存储[9]等众多领域有着广泛的应用。例如，利用静电驱动的微电机系统（Micro Electro Mechanical Systems, MEMS）开关，其开关间隙存在极高电场强度（107V/m 量级），极易产生场致电子发射甚至介电击穿，进而导致器件的失效和物理损伤[10]。

研究发现，物理尺度的降低带来的新效应新现象远远超出宏观尺度物理规律范畴，已无法用宏观的物理规律分析和解释，因此如何认识和理解微纳尺度介电系统的击穿特性和放电规律成为国内外学者的研究热点。

自从20世纪50年代以来，微纳尺度击穿特性和放电规律的研究就已经开展。起始的研究工作是以宏观尺度介电系统的放电规律研究为主[11,12]；直到21世纪初，随着微纳电子器件的蓬勃发展，研究工作逐步以典型 MEMS、纳机电系统（Nano- Electromechanical System, NEMS）器件结构的击穿特性和放电规律为重点[13,14]；近年来，分子器件和量子器件的出现使得研究涉及的物理尺度从微米尺度逐渐向纳米、亚纳米尺度延伸[15]。

总的来说，宏观尺度的电气击穿特性和放电规律得到了广泛的讨论和研究，并已经形成了成熟的理论；微米尺度的电气击穿和放电规律也开展了大量的研究工作，并取得了丰硕的成果；然而，由于研究手段的限制，有关纳米尺度电气击穿和放电规律的研究并不多见，其放电规律和物理机制尚不明晰。

本文回顾了近70年来国内外学者在微纳尺度电气击穿和放电规律领域的研究进展，并分别从研究手段、放电规律以及物理机制等方面进行了归纳和总结，指出了当前面临的主要问题和不足，并根据现有的技术条件提出纳米尺度击穿特性和放电规律的研究方向，对进一步补充和完善微纳尺度放电击穿理论具有重要意义。

讨论

通过以上对微纳尺度击穿特性和放电规律研究工作的归纳和总结，可以发现微纳尺度击穿特性与电极材料、电极形状、电极间隙、气体氛围、气体压力、外施电压类型和沿面介质层性质等诸多因素有关。

表1总结了近年来具有代表性的微纳尺度击穿特性实验研究概况，由该表可知目前微米、亚微米尺度击穿的实验研究和数值计算工作相对较多，而且在放电规律和击穿机理方面都取得了基本一致的结论；而纳米尺度击穿特性方面目前仅仅进行了初步的研究工作，在实验和理论方面尚未突破。

表1 近年来微纳尺度击穿特性实验研究概况

图9分别对击穿电压随不同尺度电极间隙的变化曲线进行了概括总结。由图9a可知，当电极间隙为微米、亚微米尺度时，其实际的击穿电压曲线均与 Paschen曲线的预测不一致，且该临界间隙尺度在5～10μm之间。

不同尺度的介电系统击穿电压的变化规律也不同：以宏观尺度金属电极为代表的介电系统（如Torres、Lee等），其击穿电压随电极间隙的减小而迅速降低，击穿场强值在107～108V/m范围内变化；而以MEMS电极结构为代表的介电系统（如 P.Wang、Y.Cheng等），其击穿电压要略大于Paschen曲线的数值，且击穿电压随电极间隙的减小而略有降低，击穿场强值在108V/m左右。

因此，尽管电极间距相同，但其结构和物理尺寸的不同导致了击穿阈值上较大差异。由图9b可知，当电极间隙为纳米尺度时，其击穿电压随电极间隙的减小而呈线性降低，故其击穿场强值基本相同，大约在108～109V/m之间。

综上所述，目前对于微纳尺度电气击穿特性和放电规律的研究工作主要集中在间隙距离为100nm～100μm之间，很少涉及100nm以下甚至分子尺度的击穿研究；研究手段也是以单一电学特性的诊断为主，并没有涉及其他方面尤其是击穿起始、发展以及放电等离子体等物理过程的原位测量。

随着研究工作的深入和更先进研究手段的引进，下一步应该开展纳米尺度击穿特性的原位测试研究，实现纳米尺度介电系统的在线观测，分析及放电动态发展过程物理参量的研究，进而从微观角度直接得到其放电和击穿的本征规律及物理机制。

图9 击穿电压随电极间隙的变化曲线

结论

随着电气设备和电子器件小型化、微型化的需要，如何全面的认识和理解微纳尺度击穿特性和放电规律显得尤为重要。

本文系统地总结了国内外学者从宏观尺度到微米尺度、纳米尺度的电气击穿特性和放电规律研究工作，研究发现：

1）从电极尺度和间隙尺度角度，以往对于微米尺度的研究多为宏观毫米尺度电极下mm～μm间隙放电的电压电流特性研究，近十年才开始涉及微米尺度电极的μm～nm间隙放电电压电流特性研究，罕见纳米尺度电极的μm～nm间隙放电特性研究。

2）从电极材料角度，以往多为不同铜、铝、不锈钢等金属材料电极放电影响的研究，很少关注电极材料晶体结构对放电击穿规律的影响，特别是不同晶体结构与类型的电极对放电起始电子的输运过程的影响，以及放电对于电极材料晶体结构及性能的影响。

3）从外施电场的角度，以往微納尺度间隙下放电研究多是在直流电源下进行，较少采用交流电源，缺乏采用其他种类的电源（特别是纳秒脉冲、纳秒方波）进行研究。

4）从放电的物理机制角度，以往对1μm以上尺度的放电击穿机理研究比较多，理论比较成熟，并给出了对Paschen曲线的修正；对1μm以下尺度的放电击穿机理研究较少、机理尚不明晰，几乎没有涉及50nm以下间隙击穿的物理机制的研究。

综上所述，为了更系统和深入地了解微纳尺度电气击穿和放电规律，下一步的研究工作应从微观特性和物理机制入手，重点分析在微纳尺度电气击穿过程中电子发射、电荷输运以及晶体结构变化规律等，建立与完善微纳尺度介电系统在不同外施电场（直流、纳秒方波、纳秒脉冲）作用下的击穿物理模型，以期丰富与发展介电系统击穿放电理论，为新一代电气设备和未来微电子器件绝缘性能评估和结构设计奠定理论基础。