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介电材料是现代通信、国防和商业需求的基础。尽管介电击穿是这些系统故障的主要原因，但人们并不完全了解这一过程。
有鉴于此，马里兰大学Timothy W. Koeth教授团队分析了两种不同类型的电气树的介电击穿通道传播动力学。其中一种电气树尚未正式分类。作者观察到这种电气树类型的传播速度超过每秒1000万米。这些结果确定了对介电击穿理解的巨大差距，填补这些差距对于设计和制造不易受静电放电故障影响的介电材料至关重要。相关研究成果以题为“Dynamics of high-speed electrical tree growth in electron-irradiated polymethyl methacrylate”发表在最新一期《Science》上。
【聚甲基丙烯酸甲酯的介电击穿】聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等介电材料在从变压器、传输线到关键卫星部件的各种电子系统中至关重要。PMMA是一种高介电强度材料，在击穿前可承受0.3至0.6 GV/m的电场。当受到高电场时，这些材料会突然变得导电，从而导致静电放电(ESD)事件，从而留下称为利希滕贝格图(LF)的树状损坏图案。本研究研究了PMMA中的介电击穿通道传播动力学，重点关注两种不同类型的电树：传统的分支类型和新发现的常春藤类型。【实验装置】该研究使用 30.48×10.16×2.54 cm PMMA 样品，通过 4.5 MeV Dynamitron 电子加速器正交照射到两个最大面之一。使用三种束流注入电荷密度分别为 9.7、12.9 和 17.8 mC/m²。每个 ESD 均在 10.16×2.54 cm 面之一的中心表面上引发，并且沿 30.48×10.16 cm 面的长度对所得的 LF 结构进行成像。图 1A显示仅包含分支型低频通道的 ESD，其特征在于其羽毛状、树枝状图案。图 1B显示具有常春藤型和分支型 LF 通道的 ESD。常春藤型通道光滑且半透明，而分支型通道保留其羽毛状外观。
图1.两个LF最终形式的图像【实验结果】一、引发阶段。ESD的启动阶段发生在事件触发机械损伤位置，称为放电点。该阶段包括两个部分：初始通道生长和清晰形成的通道在到达样品顶部和底部边缘之前的传播。对于最高电荷密度样品，分支型通道的起始阶段平均传播速率为1.00×106 m/s，而常春藤型起始通道的平均生长速率为12.08×106 m/s。二、批量放电。在大量放电阶段，通道在材料中传播，形成树状图案，其中宽的中心通道被较小的次分支包围。分支型 LF 具有不透明的羽毛状通道，具有明显的中央主通道，而常春藤型通道光滑且半透明，具有分散的次级分支型通道。分支型通道的传播速度范围从最初的 9.64 × 105 m/s 到前进的 6.05 × 105 m/s。常春藤型通道以 1.55 × 106 m/s 的平均速度传播，延伸速度比它们发光的速度快。三、停止阶段。低频传播在到达样品边缘之前停止，从而形成未损坏材料的一致边界。对于分支型通道，传播在停止前明显减慢，平均最终速度为 3.42 × 105 m/s。常春藤型通道在停止前转变为分支型，停止速度范围为 1.64 × 106 m/s 至 2.56 × 106 m/s。从常春藤型到分支型的转变发生在平均速度为 1.32 × 106 m/s 的情况下。图2是分支型LF的启动。时间序列：从t=0到t=9 ns，图像显示最初的光爆发，随后形成单个通道。当电子去俘获发生时，该通道迅速扩展，呈现分支形状并形成圆形波前。
图2.分支型LF引发状态的高速图像图3是Ivy型LF的引发。时间序列：从t=0到t=14 ns，图像描绘了光快速扩展到材料中，然后形成高度定向的初始通道。这些通道的传播速度比它们发光的速度快，导致传播前沿的曲率半径很大。
图3.常春藤型LF引发状态的高速图像图4是随时间变化的平均通道长度。该图显示了分支型和常春藤型LF模式的启动、大量放电和停止阶段的平均沟道长度。它强调了与分支型通道相比，常春藤型通道的传播速度明显更快。
图4.随时间变化的平均通道长度【讨论】观察到的分支型和常春藤型击穿之间沟道传播的差异表明，局部电荷密度和样品的几何形状在确定放电行为方面起着至关重要的作用。（一）局部电荷密度：放电时局部俘获电荷密度的程度显着影响通道的行为。当局部电荷密度较低时，会形成分支型沟道，从而导致随机游走传播。相反，当电荷密度较高时，会形成常春藤型沟道，从而导致沿电场线的高度定向传播。（二）样品几何形状：样品的几何形状影响放电通道的传播和停止。分支型通道在圆形波前开始，并在沿样本长度传播时减慢速度，最终停在未损坏的边界处。另一方面，常春藤型通道保持其速度，直到它们在停止之前转变为分支型，这受到样本尺寸的影响。从常春藤型沟道到分支型沟道的转变是由于沟道传播时局部电荷密度的降低而发生的。这种转变由局部电场控制，该电场下降到维持常春藤型传播所需的阈值以下。观察到的跃迁速度表明了信道传播行为从常春藤型变为分支型的场阈值。（一）电场模型：通道尖端周围的电场有两个不同的区域。在长距离处，场是恒定的，而在通道领导者增长步长的距离处，场遵循1/r2依赖性。这些区域之间的过渡称为分界线，不依赖于注入的电荷密度。载流子的去捕获率受到电场的影响，较高的电场会减少载流子保持捕获的时间。（二）去捕获和通道生长：当去捕获的关键场位于分界线内部时，去捕获和通道生长表现出随机游走行为，从而产生分支型电树。当临界场位于分界线之外时，生长更具方向性，形成常春藤型通道。沿通道积累的阻抗也会影响传播前沿的电场，导致观察到的转变和停止。【总结】通过高速成像对 PMMA 中的介电击穿进行全面分析，揭示了对树枝型和常春藤型电树的传播动力学的重要见解。研究结果强调了局部电荷密度和样品几何形状在确定放电行为中的重要性。常春藤型击穿的发现引入了一种新的介电击穿模式，凸显了当前对 ESD 机制的理解存在巨大差距。对其他介电材料的进一步研究对于充分阐明常春藤型击穿的电磁驱动性质及其对为电子系统设计更具弹性的介电材料的影响至关重要。
文献链接
Kathryn M. Sturge et al. , Dynamics of high-speed electrical tree growth in electron-irradiated polymethyl methacrylate.Science 385,300-304 (2024).DOI:10.1126/science.ado5943https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado5943 | 
