【科學背景】

隨著電子設備和系統(tǒng)在現(xiàn)代社會中的廣泛應用，電介質材料的重要性日益凸顯。電介質材料是從變壓器、輸電線路到衛(wèi)星關鍵組件的基礎材料，其穩(wěn)定性和可靠性直接關系到通信、國防和商業(yè)系統(tǒng)的正常運行。然而，電介質擊穿是導致這些系統(tǒng)失效的主要原因之一，但科學界對這一過程的理解還不完全。

電介質擊穿（ESD）是指電介質材料在受到足夠高的電場時突然變得導電，導致破壞性的靜電放電事件。ESD會在材料中留下類似閃電的樹狀損傷模式，這些永久性損傷痕跡被稱為萊頓圖（LFs）。盡管科學家已經對玻璃、環(huán)氧樹脂、聚酰亞胺和聚乙烯等材料中的分支型LF進行了識別和研究，但對某些材料中常春藤型LF的存在和形成機制知之甚少。此外，雖然電氣放電在納秒尺度上發(fā)生已被廣泛認可，但在較厚電介質材料中ESD的實際速度和通道形成機制仍未得到充分研究。

有鑒于此，馬里蘭大學Timothy W. Koeth教授團隊在“Science”期刊上發(fā)表了題為“Dynamics of high-speed electrical tree growth in electron-irradiated polymethyl methacrylate”的最新論文。他們通過對兩種不同類型的電氣樹的電介質擊穿通道傳播動態(tài)進行分析，進一步揭示了電介質擊穿過程中的關鍵機制。研究發(fā)現(xiàn)，常春藤型放電模式的傳播速度接近材料中光速的5%，這是固態(tài)材料中直接視覺觀察到的最快物理現(xiàn)象之一。這一發(fā)現(xiàn)不僅揭示了電介質擊穿理論中的空白，還為材料工程師提供了新的思路，以設計和制造更不易受靜電放電影響的電介質材料，從而提高現(xiàn)代電子、通信和國防系統(tǒng)的可靠性。

【科學亮點】

1. 實驗首次發(fā)現(xiàn)并揭示新型ESD模式

本實驗通過對空間電荷加載的PMMA進行高精度高速成像，首次揭示了全新的靜電放電（ESD）模式——常春藤型放電模式。該模式的發(fā)現(xiàn)填補了現(xiàn)有電介質擊穿理論中的空白。

2. 新型放電模式及其區(qū)別

常春藤型放電模式與傳統(tǒng)的分支型放電模式存在顯著差異。通過實驗觀察，發(fā)現(xiàn)常春藤型放電的通道形成速度超過107米/秒，而分支型放電通道的形成速度為106米/秒。這一發(fā)現(xiàn)表明了電介質擊穿過程中的不同機制及其復雜性。

3. 空間電荷引起的ESD及其影響

航天器充電導致的ESD可造成嚴重損害，占所有衛(wèi)星故障的一半以上。研究表明，這類ESD事件可由太陽耀斑、地磁暴以及長期暴露于太陽能粒子引起。理解這些機制對于保障作者日常依賴的通信、國防和商業(yè)系統(tǒng)的持續(xù)功能至關重要。

4. 高速成像技術在電介質研究中的應用

通過使用千兆赫的幀率的高速成像技術，本實驗不僅精確測量了電氣樹通道的形成速度，還證實了現(xiàn)有LF通道形成理論中的重大缺陷。該技術的應用為進一步探索電介質擊穿現(xiàn)象提供了強有力的工具。

5. 未來研究方向

鑒于常春藤型放電模式的發(fā)現(xiàn)，本實驗提出了新假設，即如果該擊穿模式純粹由電磁驅動，那么在任何具有足夠高空間電荷密度的聚合物中都應能觀察到。未來的研究將進一步探討材料的物理和化學結構對電介質擊穿過程的影響，為更好地預測和設計抗沖擊材料奠定基礎。

【科學圖文】

圖1：兩個LF最終形式的圖像。

圖2. 分支型LF引發(fā)狀態(tài)的高速圖像。

圖3. 常春藤型LF引發(fā)狀態(tài)的高速圖像。

圖4：隨時間變化的平均通道長度。

【科學啟迪】

本文的研究成果為電介質材料的電擊穿現(xiàn)象提供了新的視角，揭示了電介質擊穿過程中存在的常春藤型電氣樹這一新模式。這一發(fā)現(xiàn)不僅填補了現(xiàn)有理論中的重要空白，還對電介質材料的設計和應用具有深遠的影響。通過高速度成像技術，作者首次觀察到常春藤型電氣樹的傳播速度超過107米/秒，幾乎達到材料中光速的5%。這一現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)的分支型電氣樹理論，表明電介質擊穿的機制可能更加復雜，需要新的理論框架來解釋。

在以前，作者對電介質材料的擊穿行為的理解仍然存在很大的未知領域。常春藤型電氣樹的存在表明，電介質擊穿不僅僅是由電場強度決定的，還可能受到材料內部空間電荷、電磁效應以及材料的電化學結構等多種因素的影響。因此，未來的研究需要更全面地考慮這些因素的交互作用，以構建更加精確的理論模型。

文獻信息：Kathryn M. Sturge et al. , Dynamics of high-speed electrical tree growth in electron-irradiated polymethyl methacrylate.Science 385,300-304 (2024).https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado5943

聲明：因作者學識有限，難免有所疏漏和錯誤，如有不科學之處，懇請讀者在下方批評指正！