扫描探针显微镜的微放电

      扫描探针显微镜通常用来对微纳米尺度样品的表面结构与性质进行表征,对形貌表征具有极高的空间分辨率,通过处理和分析微探针与样品之间的各种相互作用力,可以精确研究样品局部的电学、力学性质。微放电是一种将放电限制在有限空间内的气体放电,在大气压下当电极尺寸缩小到一定程度时,空气放电机理与长间隙空气放电有明显不同。利用扫描探针显微镜在大气压下进行微放电试验,不仅电极结构容易搭建,还可以实现对放电微区的形貌和性质改变进行原位表征,有利于进行微间隙空气放电机理的研究。经典放电理论能够对宏观放电现象进行较为准确的解释,并且可以对相应放电的应用提供理论支持,而通常用来解释小间隙、低气压下放电现象的汤逊放电理论不能合理解释介观尺度的空气放电现象。

     所以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,为微放电等离子体的高效生产提供理论基础,基于手动精密位移台和扫描探针显微镜(Scanning probe microscope,SPM)构建能够实现微米、亚微米距离控制的针板电极结构,研究了两种电极结构在大气压下、施加直流电压时的微间隙放电现象及机理,并通过SPM实现了针板电极放电微区域的定位和原位形貌和电学性质表征。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15μm左右时针板电极可以在大气压下不需要低气压点燃放电以及冷却电极即可发生辉光放电,辉光区域形状与阴极电极形状一致且辉光放电对电极的损伤大于其他形式的放电;基于SPM的针板电极结构不发生辉光放电,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。通过对击穿电压和预击穿电流的分析得出:负极性击穿电压不随间隙距离变化,呈现场致发射放电机制;间隙小于2μm后预击穿电流值变化趋势与Fowler-Nordheim公式描述的一致,同样可以证明场致发射是微间隙极不均匀电场发生放电的主导因素。SPM检测结果表明放电结束后扫描区域板电极功函数会发生改变。