学术简报｜基于原子力显微镜的微间隙空气放电研究
电介质工程国家重点实验室培育基地（哈尔滨理工大学）、滑铁卢大学纳米技术研究所、国网山东省电力公司枣庄供电公司的研究人员孙志、付琳清等，在2018年第23期《电工技术学报》上撰文指出，微放电等离子体已广泛应用于诸多领域，但是汤逊放电理论不能合理解释介观尺度空气放电现象。
为了深入探究微小间隙空气放电特性和确定场致发射对微放电的作用和机理，基于手动精密位移台和原子力显微镜（AFM）构建能实现微米距离控制的针板电极结构，研究了两种尺寸针板电极在大气压下、施加直流电压时的微间隙放电现象及机理。
试验结果表明微间隙放电机理与长间隙有很大不同，间隙为15 μm左右时针板裸电极可在空气中、常压下发生辉光放电；AFM针板电极不发生辉光放电，间隙小于2 μm后预击穿电流变化趋势与Fowler-Nordheim公式描述的一致，击穿电压不随间隙距离变化，呈现场致发射放电机制。阴极场致发射放电导致负极性击穿电压低于相同间隙正极性击穿电压。通过AFM实现了针板电极放电微区域的定位和原位形貌表征。
微放电电极结构与放电间隙均为亚毫米以下量级，其放电规律和特性不同于宏观空气放电，所以常规理论难以对其准确描述和解释。微放电可产生气动效应、等离子体、辐射紫外光等诸多特性，已成为近年来的研究热点。此外微机电系统微器件排布密集，当施加一定电压时会出现局部高电场强度集中，容易发生元件击穿损坏，所以微放电的研究对微机电系统的设计及运行可靠性也具有重要意义。
关于微米间隙击穿电压阈值，H. H. Chung研究表明空气击穿最早发生在电场强度为70 V/μm时，当间隙距离为10 μm时击穿电压为330 V；40 μm时击穿电压为500 V。R. S. Dhariwal等根据巴申定律推导出间隙距离、大气压强与击穿电压的方程，并且验证得出当间隙距离小于10 μm时此公式预测的击穿电压与试验结果不符。长间隙空气击穿载流子生成方式主要为碰撞电离，短间隙场致发射不再只是提供二次电子。
L. Schwaederle等研究表明开始施加电压时阳极附近自由电子迅速进入阳极，集聚在电极间隙中的正电荷起到了增强电场的作用，增强后的电场更有助于场致发射，两种机制耦合后的数据更加符合试验结果。
A. Semnani等基于各种空气放电机制分析了预击穿电流载流子的多种产生机制及不同机制下产生载流子的占比，预击穿总电流随着间隙尺寸的减小而迅速减小，表明微尺度击穿发生条件是高电流、低电压，且通过仿真得出0.5 μm间隙距离下施加场致发射几乎贡献100%的预击穿电流。
各种放电机制中空气负电晕放电时会出现频率、幅值稳定的Trichel脉冲，在此基础上继续升压会发生空气间隙的击穿。微机电系统最初的设计与运行可靠性很大程度上依赖巴申曲线提供的击穿阈值，当pd值较小时，实际击穿电压与巴申曲线预测的击穿电压出现很大分歧。
M. Radjenović等研究表明巴申试验曲线左半段渐渐地开始背离实际结果，所以与之对应的汤逊放电理论不能解释微纳米间隙空气击穿现象。D. Ilic等提出微米间隙金属电极在间隙距离较小时电极材料蒸发降低了击穿阈值，并与巴申曲线不符。因此对于巴申曲线的补充与修正一直是国内外相关研究人员探索的热点。
由于原子力显微镜的耐压水平有限，为便于直接观察放电现象，本文首先基于手动精密位移台（精度为1 μm，距离控制范围为1~500 μm）进行了10~30 μm空气间隙放电试验，证实在空气中、大气压下、无均匀介质阻挡时直流电压下可发生辉光放电；然后利用原子力显微镜（Atomic Force Microscope, AFM）微距离控制系统（精度为0.1 μm，距离控制范围为0.5~10 μm）进行1.1 μm、2.1 μm和4.1 μm空气间隙击穿试验，对1.0~20.0 μm的空气放电现象及击穿电压、预击穿电流和放电微区形貌进行了分析，并探讨微间隙放电机理。
图1 微米间隙放电试验原理框图
1）基于手动精密位移台试验证实针板裸电极在间隙距离为15 μm左右时可实现大气压下发生稳定的辉光放电，放电开始时不需在低气压下点燃且不需冷却电极。但辉光放电区域温度较高，放电结束后会造成针尖形貌上的改变。
2）微间隙放电具有极性效应，1.0 μm时正极性击穿电压比负极性击穿电压高40 V左右，随着距离的增加击穿电压差值增加。
3）针尖局部电场强度达到107～108 V/m，超过了场致发射阈值，当间隙小于一定值后，场致发射效应主导了间隙击穿，微间隙负极性击穿电压与距离无关。
4）负极性预击穿电流主要由场致发射电流组成。微间隙放电时产生大量热并形成电弧，使放电微区发生物质传递。