納米功能界面的電化學和掃描探針顯微鏡（SPM）

      掃描探針顯微鏡通常用來對微納米尺度樣品的表面結構與性質進行表征,對形貌表征具有極高的空間分辨率,通過處理和分析微探針與樣品之間的各種相互作用力,可以精確研究樣品局部的電學、力學性質。微放電是一種將放電限制在有限空間內的氣體放電,在大氣壓下當電極尺寸縮小到一定程度時,空氣放電機理與長間隙空氣放電有明顯不同。利用掃描探針顯微鏡在大氣壓下進行微放電試驗,不僅電極結構容易搭建,還可以實現對放電微區的形貌和性質改變進行原位表征,有利于進行微間隙空氣放電機理的研究。經典放電理論能夠對宏觀放電現象進行較為準確的解釋,并且可以對相應放電的應用提供理論支持,而通常用來解釋小間隙、低氣壓下放電現象的湯遜放電理論不能合理解釋介觀尺度的空氣放電現象。

     所以為了深入探究微小間隙空氣放電特性和確定場致發射對微放電的作用和機理,為微放電等離子體的高效生產提供理論基礎,基于手動精密位移臺和掃描探針顯微鏡(Scanning probe microscope,SPM)構建能夠實現微米、亞微米距離控制的針板電極結構,研究了兩種電極結構在大氣壓下、施加直流電壓時的微間隙放電現象及機理,并通過SPM實現了針板電極放電微區域的定位和原位形貌和電學性質表征。試驗結果表明微間隙放電機理與長間隙有很大不同:間隙為15μm左右時針板電極可以在大氣壓下不需要低氣壓點燃放電以及冷卻電極即可發生輝光放電,輝光區域形狀與陰極電極形狀一致且輝光放電對電極的損傷大于其他形式的放電;基于SPM的針板電極結構不發生輝光放電,陰極場致發射放電導致負極性擊穿電壓低于相同間隙正極性擊穿電壓。通過對擊穿電壓和預擊穿電流的分析得出:負極性擊穿電壓不隨間隙距離變化,呈現場致發射放電機制;間隙小于2μm后預擊穿電流值變化趨勢與Fowler-Nordheim公式描述的一致,同樣可以證明場致發射是微間隙極不均勻電場發生放電的主導因素。SPM檢測結果表明放電結束后掃描區域板電極功函數會發生改變。