По мере стремительного развития нанообработки и микро‑наноэлектронных устройств приборы с нанозазорами и острыми электродными структурами демонстрируют уникальные преимущества в таких областях, как высокоскоростное переключение, полевая эмиссия и эксплуатация в экстремальных условиях. В условиях высокого электрического поля такие устройства способны обеспечивать режимы электронного транспорта с низким энергопотреблением и высокой скоростью отклика; однако одновременно уменьшение размеров электродов делает их более чувствительными к поверхностной энергии, размерным эффектам и изменениям характера электронного транспорта, вследствие чего стабильность устройств постепенно превращается в ключевой фактор, ограничивающий их инженерное применение.

В реальных рабочих условиях сильные электрические поля и эмиссионный ток вызывают сложную эволюцию морфологии и перестройку внутренней структуры металлических наноструктур; при этом соответствующие механизмы зачастую выходят за пределы применимости традиционных макроскопических моделей электро‑ или термомиграции. Различные кристаллографические ориентации, размеры и состояние поверхности существенно влияют на пути деформации, тогда как эти процессы трудно непосредственно отследить с помощью обычных методов характеризации. Недостаточное понимание этих механизмов приводит к отсутствию надёжной базы для оценки срока службы устройств, прогнозирования их отказов и оптимизации конструкций, что остаётся ключевой задачей, требующей дальнейшего прогресса в данной области.

В ответ на указанные выше проблемы команда, в состав которой входят сотрудники Сианьского университета транспорта и Хельсинкского университета (Финляндия), провела комплексное исследование с использованием стационарного образцового стержня компании «ZEPTOOLS». Впервые была непосредственно раскрыта истинная динамика деформации металлических наноэлектродов в сильном электрическом поле; установлено, что совместное действие электрического поля и электронного ветра способно доминировать в эволюции наноструктур при условиях, значительно ниже традиционно принятых пороговых значений, что обеспечивает ключевую теоретическую основу для повышения надёжности наноэлектронных устройств.

Заголовок: Раскрытие динамики деформации в металлических наноструктурах, обусловленной электрическим полем
Журнал: Природа Коммуникации
Веб-сайт: https:// doi.org/10.1038/s41467- 025-67972-2

В данной работе первоначально уделяется внимание вопросам надёжности металлических наноэлектродов в условиях высоких электрических полей; отмечается, что потенциал применения устройств с нанозазорами в области полевой эмиссии и сверхбыстрой электроники существенно ограничивается нестабильностью их электродной структуры. Традиционные исследования, как правило, опираются на макроскопические масштабы либо на косвенные выводы, приписывая отказы преимущественно термическим эффектам или классическим механизмам электромиграции. Однако на наноуровне совместное действие поверхностной энергии, размерных эффектов и локального усиления электрического поля приводит к тому, что достоверные экспериментальные данные о реальных путях деформации и доминирующих механизмах долгое время отсутствуют; именно этот пробел в знаниях и составляет ключевую исходную точку настоящего исследования.

В рамках рассмотренных выше вопросов была разработана и реализована в трансмиссионном электронном микроскопе оригинальная экспериментальная методика, позволяющая одновременно прикладывать сильное электрическое поле и осуществлять синхронную визуализацию; при этом подача электрического смещения и точная настройка нанозазора выполняются с помощью специально разработанного зонда‑образца, предоставленного компанией Zeyou Technology. Данное устройство позволяет исследователям в условиях комнатной температуры и высокого вакуума непрерывно отслеживать морфологическую эволюцию металлических наноостриев и поведение кристаллических дефектов под совместным воздействием электрического поля и тока эмиссии, тем самым исключая потери информации, характерные для постфактумных методов характеризации, и обеспечивая ключевую техническую поддержку для получения «процессуальных доказательств» с высоким временным и пространственным разрешением.

Путём систематического изучения вольфрамовых нано‑острий с различными радиусами кривизны в работе показано, что при воздействии сильного электрического поля наноструктуры подвергаются обратимому эволюционному процессу: от почти сферической формы к многогранной и затем снова к почти сферической. Этот процесс сильно зависит от размера и кристаллографической ориентации: у малоразмерных электродов уже при относительно низких напряжённостях электрического поля наблюдаются заметные десорбция атомов и поверхностная реконструкция, тогда как у более крупных образцов проявляется выраженная гистерезисная картина и даже стабильность морфологии. Полученные результаты свидетельствуют о том, что традиционные подходы, основанные на макроскопических эмпирических критериях определения порогового значения электрического поля, оказываются неприменимыми на наноуровне; размерный эффект является ключевым фактором, определяющим путь эволюции структуры.

На уровне механизма исследования, путём сравнения экспериментов с прямой и обратной полярностью удалось прояснить относительную роль электрического поля и эффекта электронного ветра в процессе деформации, продемонстрировав, что при отсутствии внешнего нагрева именно полевое содействие атомарному испарению — а не простая поверхностная диффузия — является ключевым механизмом, определяющим эволюцию наноэлектродов. Этот вывод предоставляет более физически обоснованный рамочный подход к пониманию ранних отказов наноустройств и служит научной базой, напрямую применимой при выборе материалов, проектировании геометрии электродов и установлении рабочего диапазона электрических полей, что придаёт данному исследованию чёткую инженерную экстраполяционную значимость и надёжную основу для цитирования.

Компания «ZEPTOOLS», являясь ведущим китайским производителем высокоточных приборов отечественного производства, является одним из ведущих поставщиков решений для in situ‑характеризации с помощью электронных микроскопов и представила… ПикоФемто Серия решений для in situ‑трансмиссионной электронной микроскопии постепенно обеспечивала техническую поддержку ключевым научным достижениям отечественных и зарубежных пользователей. На нижнем рисунке представлено оборудование Zeyou Technology, использованное в данном исследовании: