固体电介质中原子尺度电子雪崩击穿的动态机制与高熵调控策略

研究人员针对电子雪崩击穿这一制约微纳电子器件可靠性的关键问题，通过建立原子尺度动态模型揭示了电离能(Wi)、键能(Wb)和电子平均自由程(λ)对击穿强度(Eb)的调控规律，在BaTiO3基高熵电介质中实现击穿强度250%的提升，为打破介电常数(εr)与Eb的固有反比关系提供了原子工程新思路。

　　

在现代电子器件向着微型化、高功率发展的进程中，电子雪崩击穿始终是悬在半导体和绝缘体材料头上的"达摩克利斯之剑"。这种由碰撞电离和雪崩倍增引发的瞬态非平衡过程，直接决定着电容器、忆阻器、晶体管等电子元件的最大工作电压和循环寿命。尽管自20世纪30年代以来，科学家们陆续提出了多种半经典和量子力学模型来解释固体击穿现象，但这些理论往往只能给出稳态条件下的解析解，对于多尺度动态击穿过程的描述仍存在巨大空白。更令人困扰的是，实验中发现介电材料的击穿强度(E_b)与介电常数(ε_r)始终呈现此消彼长的反比关系，这一"鱼与熊掌不可兼得"的困境严重制约着高储能密度器件的研发。

武汉理工大学和清华大学的研究团队在《Nature Communications》发表的研究中，首次建立了原子尺度的电子雪崩击穿动态模型，通过耦合碰撞电离与化学键断裂过程，揭示了电离能(W_i)、键能(W_b)和电子平均自由程(λ)三大原子尺度参数对击穿行为的调控机制。研究人员采用相场晶体方法和密度泛函理论(DFT)确定原子位置与初始电荷分布，通过高通量计算构建了E_b与关键参数的定量关系图谱，并推导出E_b=375ln(W_i)+2510λ^-1/2+61W_{b^1/2-835的解析表达式。基于此，团队创新性地提出高熵设计策略，在BaTiO3基体中引入Sr、Na、Sm等多元素协同掺杂，通过可控晶格畸变将λ降低92.9%，使Eb提升达250%，成功突破了εr与Eb的传统耦合关系。}

研究主要采用四种关键技术方法：1)原子尺度击穿动态模型，耦合碰撞电离概率α(E_app)=qλE_app/W_i与键断裂判据；2)相场晶体与DFT计算确定Ba-O/Ti-O面的电荷密度分布；3)高通量模拟14种介电材料(从简单氧化物到钙钛矿)的W_i、λ、W_b参数；4)高熵陶瓷薄膜制备验证理论预测，通过X射线衍射和电性能测试表征结构-性能关系。

【动态电子雪崩过程模拟】以BaTiO₃为例，研究发现Ba-O面因较低W_i(5.21 eV)和W_b(5.85 eV)成为击穿起始区域。模拟显示当E_app达569 MV/m时，雪崩路径沿Ba-O键快速扩展，576 MV/m时形成连续导电通道。λ从16?降至4?可使E_b从576 MV/m提升至1128 MV/m。

【结构-性能关系图谱】通过14种介电材料的高通量分析，发现简单氧化物(SiO₂、Al₂O₃等)因较高W_i(>10 eV)、W_b(>8 eV)和较低λ(2-10?)具有更高E_b。建立E_b∝ε_r^-0.18的新关系，与传统E_b∝ε_r^-0.64理论形成对比。

【高熵设计策略】在Ba_1-3xSr_xNa_xSm_xTi_1-2xZr_xHf_xO₃体系中，构型熵(S_config)达2.28R时，晶格畸变使λ降低92.9%，稀土元素掺杂同时提升W_b，实现E_b3.5倍增长。实验制备的高熵薄膜验证了理论预测。

【氧空位效应】研究发现浅能级氧空位(W_t=0.2 eV)会引发局部电场集中，使E_b降至381 MV/m；而深能级(W_t=0.8 eV)可将E_b恢复至1126 MV/m，接近本征值。建立W_t与有效态密度(N_c)对E_b的调控相图。

这项研究通过原子尺度动态模型，首次完整揭示了电子雪崩击穿过程中碰撞电离-电子倍增-键断裂-导电通道形成的连续演变机制。提出的高熵设计策略为打破ε_r与E_b的反比关系提供了切实可行的解决方案，不仅对发展高储能密度电容器具有重要指导意义，其揭示的载流子非平衡动力学机制还可拓展至忆阻器、神经形态器件等新兴电子系统的性能优化。特别值得关注的是，研究建立的E_b与原子尺度参数的定量关系，为今后通过精确的原子/缺陷工程设计高性能介电材料提供了"设计手册"。正如通讯作者Ce-Wen Nan教授指出，这项工作"为探索耐高压介电材料提供了原子尺度的精准指南"。