纳电极阵超低电压气体放电的理论基础研究

实验研究表明，某些大长径比纳米尖端电极阵列（纳电极阵）可以使自持放电临界电压低于安全超低电压，此类片上化功能器件也已见报道，但其理论基础目前尚缺乏研究，限制了这方面的研究发展与应用。本项目提出纳电极阵电通量集中效应的"径向均匀化假设"，拟主要通过解析方法，研究纳电极阵在电场中的尺度效应对带电粒子产生和输运的影响机理，推导纳米尖端阵列结构在超低电压气体放电中电极特性的模型方程，推导自持放电临界电压和自持电流决定因素的模型方程。用蒙特卡罗模拟方法研究汤生系数，通过粒子连续性模型和击穿实验研究二次过程的总电离系数，建立求解模型中物理参数的方法，并将模型推论与实验进行定量对比。量化地描述和探讨此类超低电压气体放电的理论基础，为相关微-纳器件提供设计和优化的定量分析工具，并为探索纳米尖端阵列结构在等离子体基本过程与效应中所起到的其他可能作用提供理论支撑。

“纳电极阵”是一个抽象概念，指代一维纳米结构规则阵列所形成的宏观体，根据理论计算，其所产生的电场分布能具备1031V/m2的电场梯度，并具有很强的轴向定向性和径向宏观延展性，这样的电场分布在气体电子学或者等离子体物理学的学科历史中都是没有的，以此为基础，从理论上研究其中的气体电子学过程是本项目的根本特色。之所以提出这一理论研究，其背景是一种新现象的研究在气体电子学领域作为研究前沿兴起：那就是利用碳纳米管等一维纳米结构作为电极材料，优化电离气体分子的功能。然而，该技术一直被作为一种电离气体传感器或者微放电器件的优化技术方案被认知，其理论基础困乏，应用也面临原理不清的难题。. 通过本项目的实施，建立了在高气压条件下的累积击穿解析理论模型，从理论上回答了纳米尖端阵列结构边界条件下，气体击穿电压大幅度下降的特异性问题。建立了低气压条件下的平衡态电荷分离方程，描述了纳电极阵自持临界电压和自持电流与纳米尖端阵列结构几何特征、材料特性和气体特性之间关系。通过制备ZnO纳米线阵列和聚噻吩高介电常数薄膜材料，用直流介质阻挡放电实验验证了理论预期。利用FIB方法制备高度均匀的纳电极阵结构，验证了理论模型的正确性。在原定研究计划基础之上，通过理论模型推演，对原有研究目标有如下拓展和提高：第一，预测并通过实验揭示了高气压条件下纳电极阵结构气体放电过程的非线性本质，发现了超低电压条件下纳电极阵气体放电的马尔特行为；第二，预测并发现了常压气体中宇宙射线电离源在纳电极阵电极系统中的电离特性，测量得到纳电极阵电极系统中的气体电导比较常规气体高4~5个数量级；第三，预测并证明了纳电极阵对气体放电过程的根本性特征来自于其强电场梯度造成的极化过程，而原来学术界普遍接受的有关电势梯度的增强效应仅仅起到辅助作用；第四，预测并验证了纳电极阵介质阻挡气体放电可以在直流条件下持续的时间高于常规电极系统3-6个数量级。上述研究为基于纳电极阵结构的气体电子学器件提供了三个方面的量化分析工具：第一，极化带理论模型，使得纳电极阵主导的气体放电过程中的关键电荷分离机制能够通过一维模型加以解析地描述；第二，常压和低压下的自持条件方程，使得能够对纳电极阵气体电子学器件的放电阶段性加以定量地界定；第三，宇宙射线电离源的电离腔I-V模型，能够指导在非自持条件下纳电极阵气体电子学器件的量化设计工作。