納電極陣超低電壓氣體放電的理論基礎研究

《納電極陣超低電壓氣體放電的理論基礎研究》是依託上海交通大學，由侯中宇擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：納電極陣超低電壓氣體放電的理論基礎研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：侯中宇
• 依託單位：上海交通大學

項目摘要

實驗研究表明，某些大長徑比納米尖端電極陣列（納電極陣）可以使自持放電臨界電壓低於安全超低電壓，此類片上化功能器件也已見報導，但其理論基礎目前尚缺乏研究，限制了這方面的研究發展與套用。本項目提出納電極陣電通量集中效應的徑向均勻化假設，擬主要通過解析方法，研究納電極陣在電場中的尺度效應對帶電粒子產生和輸運的影響機理，推導納米尖端陣列結構在超低電壓氣體放電中電極特性的模型方程，推導自持放電臨界電壓和自持電流決定因素的模型方程。用蒙特卡羅模擬方法研究湯生係數，通過粒子連續性模型和擊穿實驗研究二次過程的總電離係數，建立求解模型中物理參數的方法，並將模型推論與實驗進行定量對比。量化地描述和探討此類超低電壓氣體放電的理論基礎，為相關微-納器件提供設計和最佳化的定量分析工具，並為探索納米尖端陣列結構在電漿基本過程與效應中所起到的其他可能作用提供理論支撐。

結題摘要

“納電極陣”是一個抽象概念，指代一維納米結構規則陣列所形成的巨觀體，根據理論計算，其所產生的電場分布能具備1031V/m2的電場梯度，並具有很強的軸向定向性和徑向巨觀延展性，這樣的電場分布在氣體電子學或者電漿物理學的學科歷史中都是沒有的，以此為基礎，從理論上研究其中的氣體電子學過程是本項目的根本特色。之所以提出這一理論研究，其背景是一種新現象的研究在氣體電子學領域作為研究前沿興起：那就是利用碳納米管等一維納米結構作為電極材料，最佳化電離氣體分子的功能。然而，該技術一直被作為一種電離氣體感測器或者微放電器件的最佳化技術方案被認知，其理論基礎睏乏，套用也面臨原理不清的難題。通過本項目的實施，建立了在高氣壓條件下的累積擊穿解析理論模型，從理論上回答了納米尖端陣列結構邊界條件下，氣體擊穿電壓大幅度下降的特異性問題。建立了低氣壓條件下的平衡態電荷分離方程，描述了納電極陣自持臨界電壓和自持電流與納米尖端陣列結構幾何特徵、材料特性和氣體特性之間關係。通過製備ZnO納米線陣列和聚噻吩高介電常數薄膜材料，用直流介質阻擋放電實驗驗證了理論預期。利用FIB方法製備高度均勻的納電極陣結構，驗證了理論模型的正確性。在原定研究計畫基礎之上，通過理論模型推演，對原有研究目標有如下拓展和提高：第一，預測並通過實驗揭示了高氣壓條件下納電極陣結構氣體放電過程的非線性本質，發現了超低電壓條件下納電極陣氣體放電的馬爾特行為；第二，預測並發現了常壓氣體中宇宙射線電離源在納電極陣電極系統中的電離特性，測量得到納電極陣電極系統中的氣體電導比較常規氣體高4~5個數量級；第三，預測並證明了納電極陣對氣體放電過程的根本性特徵來自於其強電場梯度造成的極化過程，而原來學術界普遍接受的有關電勢梯度的增強效應僅僅起到輔助作用；第四，預測並驗證了納電極陣介質阻擋氣體放電可以在直流條件下持續的時間高於常規電極系統3-6個數量級。上述研究為基於納電極陣結構的氣體電子學器件提供了三個方面的量化分析工具：第一，極化帶理論模型，使得納電極陣主導的氣體放電過程中的關鍵電荷分離機制能夠通過一維模型加以解析地描述；第二，常壓和低壓下的自持條件方程，使得能夠對納電極陣氣體電子學器件的放電階段性加以定量地界定；第三，宇宙射線電離源的電離腔I-V模型，能夠指導在非自持條件下納電極陣氣體電子學器件的量化設計工作。