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  隨著功率電子器件向高功率密度、高集成度方向快速發展，聚合物封裝絕緣材料在長期電熱耦合運行中容易發生電荷注入與積聚，進而誘發局部電場畸變，威脅器件絕緣可靠性。自適應介電材料因具備低場絕緣、高場導通的非線性響應特征，被認為是緩解空間電荷積累與電場畸變的重要候選。然而，現有非線性電導材料大多依賴半導體顆粒接觸界面和肖特基勢壘網絡實現導電切換，其性能受顆粒接觸狀態、晶界結構和界面缺陷影響，長期面臨低滲流閾值與性能可設計性難以兼顧的問題。

  針對這一瓶頸，華南理工大學電力學院王瑞/謝從珍研究團隊提出了一種區別于傳統界面勢壘導電模式的非線性電導材料設計新思路，為高可靠電力電子封裝絕緣材料的開發提供了新的材料路徑。該研究利用廢舊三聚氰胺泡沫熱解構建三維連續石墨相氮化碳（g-C₃N₄）骨架，在材料內部形成穩定連通的載流子輸運通道，不再依賴高填料含量下離散顆粒的隨機搭接來建立導電網絡。

  2026年3月26日，相關研究成果以“Potential well engineering for self-adaptive dielectric response polymer dielectrics”為題，發表于國際學術期刊Nature Communications。此前，團隊已于2026年2月在Nature Communications發表題為“Reversible dielectric polymers with switchable conduction and insulation for electrostatic protection”的研究論文，本次工作則進一步從體相勢阱調控角度拓展了自適應介電材料的設計思路。華南理工大學王瑞、謝從珍為論文通訊作者，華南理工大學博士研究生張道銘、王慶禹為共同第一作者。

圖1 勢阱型非線性電導材料的設計理念與應用構想。該圖對比了傳統界面勢壘機制與本研究提出的體相勢阱機制；并展示了制備思路，由廢舊三聚氰胺泡沫制備連續氮化碳骨架，并進一步制備勢阱型自適應介電材料

  在此基礎上，進一步引入受主摻雜元素B和施主摻雜元素P，通過調控骨架內部局域電子結構與能態分布，在材料內部構建深淺可調、分布可控的勢阱結構。其中，B摻雜傾向于引入更深的勢阱，增強對載流子的束縛；P摻雜則形成較淺勢阱，降低載流子釋放門檻，從而實現對閾值場強和非線性導電行為的定向調節。

圖2 連續g-C₃N₄骨架的結構特征與非線性導電行為。結果表明，g-C₃N₄泡沫具有三維連通骨架結構；通過 B、P摻雜可有效調控材料的導電開啟行為，使復合材料在低填充條件下仍保持顯著的非線性導電特性。

  為進一步揭示其內在機理，研究團隊結合空間電荷限制電流（SCLC）分析建立了勢阱參數定量提取方法。結果表明，勢阱深度與勢阱密度是決定該類材料非線性導電行為的關鍵內部參數。基于密度泛函理論計算從電子結構層面驗證了B、P摻雜分別對應深勢阱和淺勢阱的形成機制，實驗與理論結果相互印證，建立了摻雜調控、勢阱形成與非線性響應之間的關聯關系。

圖3 勢阱型非線性導電機制的定量分析。基于空間電荷限制電流模型，研究提取了不同材料體系中的勢阱參數，結果表明B摻雜傾向于引入深勢阱，P摻雜則形成淺勢阱，驗證了勢阱深度和勢阱密度對非線性導電行為的關鍵作用

  該材料體系還展現出良好的應用潛力。勢阱工程材料能夠在高電場下實現快速電荷耗散，并在靜電放電測試、擊穿性能和循環穩定性等方面表現出良好性能。其中，B摻雜樣品在擊穿強度與閾值電場之間表現出更大的安全工作窗口，上述結果說明，勢阱型自適應介電材料有望應用于高壓電力電子封裝、場強調控和先進絕緣系統等場景。

圖4 雜原子摻雜氮化碳的理論計算結果。電子局域函數、能帶結構和態密度分析表明，B摻雜在費米能級附近引入雜質能級，增強電子局域化、對應深勢阱形成，P摻雜在導帶底附近引入雜質能級，增強電子離域化、對應淺勢阱形成，從理論上支撐了實驗提出的勢阱調控機制

  該研究得到了國家自然科學基金項目（52307025）和2024 IEEE Dielectrics and Electrical Insulation Society（DEIS）Graduate Fellowship 的資助。

  原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-71184-7