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近日，武汉理工大学材料科学与工程国际化示范学院（材料与微电子学院）沈忠慧教授团队在Nature Communications期刊发表题为「Dynamic atomic-scale electron avalanche breakdown in solid dielectrics」的研究论文，团队成员王建为论文第一作者，武汉理工大学沈忠慧教授、刘韩星教授及清华大学南策文院士为论文共同通讯作者。
近年来，随着功率器件与集成电路芯片的迅速发展，电子雪崩击穿作为影响电子元器件性能与可靠性的关键过程，受到越来越多关注。其本质源于高电场下载流子的局域化、激发与输运行为，直接决定了电容器、忆阻器、晶体管等器件的最大工作电压、功率处理能力及循环寿命。因此，深入理解介电击穿的潜在物理机制对于现代电子系统的合理设计至关重要。自20世纪30年代以来，研究人员提出了多种半经典和量子力学模型，尝试从电子和原子层面来解释固体中的雪崩击穿现象。尽管这些模型可在稳态条件下提供一定的解析描述，但对实际击穿中所涉及的多尺度非平衡演化行为仍难以全面捕捉。随后，分形维数模型和相场模拟被相继提出用于解释微观/介观实验中观察到的击穿路径演化行为，但由于缺乏材料本征物理意义与精准参数输入，其在纳米尺度下对局域导电通道的形成与演化机制仍显不足。目前，实验中诸如元素掺杂、固溶体和高熵策略等原子工程设计手段已被广泛应用于介电材料性能调控，但对击穿行为的作用机制尚不明晰，理论模型与实验现象之间仍存在显著脱节。因此，基于原子构型与电子局域行为，深入探索雪崩击穿的动态演化过程，不仅对于理解介电击穿失效行为具有重要意义，也为依赖电场驱动载流子动力学的各类电子器件性能与可靠性提升提供了理论支撑。
为深入探究电介质中电子雪崩击穿动态演化机制，本研究构建了一个原子尺度击穿模型，涵盖以下关键过程：（Ⅰ）电子与晶格原子的碰撞电离；（Ⅱ）局域电子的倍增；（Ⅲ）化学键的断裂；以及（Ⅳ）连续雪崩通道的形成。首先，以BaTiO3为代表体系，利用该模型系统研究了不同外加电场下电子动力学行为、键断裂、雪崩路径演化过程及其对应的电学性能变化。选取电离能、电子平均自由程和键能这三个关键原子尺度物理变量，通过高通量模拟建立了其与击穿强度之间的关联图谱，覆盖从简单氧化物到钙钛矿等多种典型介电材料。随后，进一步揭示了如何设计不同晶格畸变的原子构型来调控电子输运行为及化学键性质。在此基础上，理论预测了具有高击穿强度潜力的BaTiO3基高熵电介质，并通过定向实验进行了验证。此外，还系统分析了氧空位等非本征缺陷因素对雪崩击穿行为的影响，进一步解释了实验中测得击穿强度显著低于理论值的原因。
总之，该研究构建了一个原子尺度电子雪崩击穿模型，通过耦合碰撞电离与键断裂机制，用于揭示固体电介质中雪崩过程的连续动态演化过程。模拟结果表明，击穿强度由三个原子尺度物理变量所主导，包括电离能、电子平均自由程和键能。基于高通量计算建立了击穿强度与上述变量之间的映射关系，并通过回归分析得到了击穿强度关于这些变量的解析表达式。此外，研究发现通过高熵策略向BaTiO3中引入局域原子异质性可以诱发晶格畸变，能够有效抑制电子雪崩过程，使击穿强度提升~250%。同时，非本征因素如氧空位的存在会通过调控局域电子激发势垒改变击穿行为，并进一步引发击穿机制的转变。该工作所提出的电子雪崩击穿模型和揭示的微观机制，为高耐压新型介电材料的探索和设计提供了理论指导。此外，所揭示的基础机制亦有望推广应用于忆阻器和类脑神经形态器件等新兴电子系统中，助力其电场驱动开关行为的预测建模与性能优化。
图1 | 电子雪崩击穿模型示意图。（a）电子与原子间的碰撞电离，（b）局域电子密度倍增，（c）化学键断裂，（d）电子雪崩通道形成。其中q、λ、Eapp、Wi、Elocal、Welec和Wb分布表示单位电荷、平均自由程、外加电场、电离能、局域电场、电能和键能。
图2 | BaTiO3中电子雪崩击穿的演变过程及相应电学性能变化。（a）BaTiO3中Ba/Ti/O的电离能Wi与Ba/Ti-O键能Wb的对比,（b）Ba-O平面初始电荷密度及相应局域电场分布，其中箭头表示局域电场方向,（c）在平均自由程λ为16 Å时，电子雪崩路径随外加电场增加的演变过程,（d）不同平均自由程λ（4、8、12和16 Å）下归一化电导率随外加电场的变化。
图3 | 不同电介质中原子尺度变量电离能Wi、平均自由程λ和键能Wb与击穿场强Eb的关系。（a）高通量模拟不同Wi、λ和Wb下钙钛矿电介质的Eb变化，（b）Eb随Wi、λ和Wb的变化函数，（c）不同电介质Wi、λ和Wb的比较，（d）简单氧化物到钙钛矿电介质的Eb随介电常数εr的预测，其中插图为低εr区域放大图。
图4 | 通过高熵设计调控晶格畸变以提升击穿强度Eb。晶格畸变δ对（a）平均自由程λ和（b）键能Wb影响的示意图，Eb对高通量模拟不同Wi、λ和Wb下钙钛矿电介质的Eb变化，Eb变化率随（c）随晶格畸变δ和（d）构型熵Sconfig的变化。
图5 | 氧空位对电子雪崩击穿过程的影响。（a）氧空位对电子输运行为影响的示意图，（b）不同陷阱能级Wt下最大局域电能随外加电场的变化，（c）Ba-O平面中Wt为0.2和0.8 eV下电子雪崩路径的对比，（d）击穿强度Eb对陷阱能级Wt和有效态密度Nc的依赖关系。
来源：研精究微，爱科会易仅用于学术交流，若相关内容侵权，请联系删除。
近日，武汉理工大学材料科学与工程国际化示范学院（材料与微电子学院）沈忠慧教授团队在Nature Communications期刊发表题为「Dynamic atomic-scale electron avalanche breakdown in solid dielectrics」的研究论文，团队成员王建为论文第一作者，武汉理工大学沈忠慧教授、刘韩星教授及清华大学南策文院士为论文共同通讯作者。
近年来，随着功率器件与集成电路芯片的迅速发展，电子雪崩击穿作为影响电子元器件性能与可靠性的关键过程，受到越来越多关注。其本质源于高电场下载流子的局域化、激发与输运行为，直接决定了电容器、忆阻器、晶体管等器件的最大工作电压、功率处理能力及循环寿命。因此，深入理解介电击穿的潜在物理机制对于现代电子系统的合理设计至关重要。自20世纪30年代以来，研究人员提出了多种半经典和量子力学模型，尝试从电子和原子层面来解释固体中的雪崩击穿现象。尽管这些模型可在稳态条件下提供一定的解析描述，但对实际击穿中所涉及的多尺度非平衡演化行为仍难以全面捕捉。随后，分形维数模型和相场模拟被相继提出用于解释微观/介观实验中观察到的击穿路径演化行为，但由于缺乏材料本征物理意义与精准参数输入，其在纳米尺度下对局域导电通道的形成与演化机制仍显不足。目前，实验中诸如元素掺杂、固溶体和高熵策略等原子工程设计手段已被广泛应用于介电材料性能调控，但对击穿行为的作用机制尚不明晰，理论模型与实验现象之间仍存在显著脱节。因此，基于原子构型与电子局域行为，深入探索雪崩击穿的动态演化过程，不仅对于理解介电击穿失效行为具有重要意义，也为依赖电场驱动载流子动力学的各类电子器件性能与可靠性提升提供了理论支撑。
为深入探究电介质中电子雪崩击穿动态演化机制，本研究构建了一个原子尺度击穿模型，涵盖以下关键过程：（Ⅰ）电子与晶格原子的碰撞电离；（Ⅱ）局域电子的倍增；（Ⅲ）化学键的断裂；以及（Ⅳ）连续雪崩通道的形成。首先，以BaTiO3为代表体系，利用该模型系统研究了不同外加电场下电子动力学行为、键断裂、雪崩路径演化过程及其对应的电学性能变化。选取电离能、电子平均自由程和键能这三个关键原子尺度物理变量，通过高通量模拟建立了其与击穿强度之间的关联图谱，覆盖从简单氧化物到钙钛矿等多种典型介电材料。随后，进一步揭示了如何设计不同晶格畸变的原子构型来调控电子输运行为及化学键性质。在此基础上，理论预测了具有高击穿强度潜力的BaTiO3基高熵电介质，并通过定向实验进行了验证。此外，还系统分析了氧空位等非本征缺陷因素对雪崩击穿行为的影响，进一步解释了实验中测得击穿强度显著低于理论值的原因。
总之，该研究构建了一个原子尺度电子雪崩击穿模型，通过耦合碰撞电离与键断裂机制，用于揭示固体电介质中雪崩过程的连续动态演化过程。模拟结果表明，击穿强度由三个原子尺度物理变量所主导，包括电离能、电子平均自由程和键能。基于高通量计算建立了击穿强度与上述变量之间的映射关系，并通过回归分析得到了击穿强度关于这些变量的解析表达式。此外，研究发现通过高熵策略向BaTiO3中引入局域原子异质性可以诱发晶格畸变，能够有效抑制电子雪崩过程，使击穿强度提升~250%。同时，非本征因素如氧空位的存在会通过调控局域电子激发势垒改变击穿行为，并进一步引发击穿机制的转变。该工作所提出的电子雪崩击穿模型和揭示的微观机制，为高耐压新型介电材料的探索和设计提供了理论指导。此外，所揭示的基础机制亦有望推广应用于忆阻器和类脑神经形态器件等新兴电子系统中，助力其电场驱动开关行为的预测建模与性能优化。
图1 | 电子雪崩击穿模型示意图。（a）电子与原子间的碰撞电离，（b）局域电子密度倍增，（c）化学键断裂，（d）电子雪崩通道形成。其中q、λ、Eapp、Wi、Elocal、Welec和Wb分布表示单位电荷、平均自由程、外加电场、电离能、局域电场、电能和键能。
图2 | BaTiO3中电子雪崩击穿的演变过程及相应电学性能变化。（a）BaTiO3中Ba/Ti/O的电离能Wi与Ba/Ti-O键能Wb的对比,（b）Ba-O平面初始电荷密度及相应局域电场分布，其中箭头表示局域电场方向,（c）在平均自由程λ为16 Å时，电子雪崩路径随外加电场增加的演变过程,（d）不同平均自由程λ（4、8、12和16 Å）下归一化电导率随外加电场的变化。
图3 | 不同电介质中原子尺度变量电离能Wi、平均自由程λ和键能Wb与击穿场强Eb的关系。（a）高通量模拟不同Wi、λ和Wb下钙钛矿电介质的Eb变化，（b）Eb随Wi、λ和Wb的变化函数，（c）不同电介质Wi、λ和Wb的比较，（d）简单氧化物到钙钛矿电介质的Eb随介电常数εr的预测，其中插图为低εr区域放大图。
图4 | 通过高熵设计调控晶格畸变以提升击穿强度Eb。晶格畸变δ对（a）平均自由程λ和（b）键能Wb影响的示意图，Eb对高通量模拟不同Wi、λ和Wb下钙钛矿电介质的Eb变化，Eb变化率随（c）随晶格畸变δ和（d）构型熵Sconfig的变化。
图5 | 氧空位对电子雪崩击穿过程的影响。（a）氧空位对电子输运行为影响的示意图，（b）不同陷阱能级Wt下最大局域电能随外加电场的变化，（c）Ba-O平面中Wt为0.2和0.8 eV下电子雪崩路径的对比，（d）击穿强度Eb对陷阱能级Wt和有效态密度Nc的依赖关系。
来源：研精究微，爱科会易仅用于学术交流，若相关内容侵权，请联系删除。
