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）青年教师沈忠慧团队在电介质材料的耐压理论研究中取得重要进展。相关成果以“Dynamic atomic-scale electron avalanche breakdown in solid dielectrics”为题发表于Nature Communications（2025, 16, 6465），武汉理工大学为论文第一完成单位。博士生王建为第一作者，沈忠慧教授、刘韩星教授以及清华大学南策文院士为论文的共同通讯作者，该工作获国家自然科学基金及国家重点研发计划等项目的资助。
电子雪崩击穿由高场下电子的碰撞电离和雪崩倍增行为所触发，是影响电子器件最大工作电压和可靠性的关键因素。然而对其电子响应过程的内在演变机制仍不明晰。因此，结合原子构型和电子局域化探索连续动态雪崩击穿过程，不仅对理解介电击穿失效至关重要，也对依赖场驱动载流子动力学的各类电子器件性能与可靠性提升具有重要意义。
鉴于此，该团队提出了一种耦合碰撞电离和断键过程的原子尺度电子雪崩击穿模型，用于研究多种电介质材料（从简单氧化物到钙钛矿）在高电场下激发电子的动态行为。通过高通量计算，建立了原子尺度物理参数电离能、键能、电子平均自由程与击穿强度之间的关系图谱并挖掘出其解析表达式。在此基础上，设计并预测了具有可控晶格畸变的高熵电介质以调控电子雪崩过程，其击穿强度可提升约250%，并通过定向实验得到了验证。该研究对雪崩击穿的理论见解为探索和设计高耐压新型电介质提供了理论指导，所揭示的基础机制可扩展至忆阻器和神经形态纳米器件等新兴电子系统的场驱动开关行为预测建模，为微电子器件高场电学响应行为的理解和优化提供了重要的理论方法。
沈忠慧，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）教授，博士生导师，国家优秀青年科学基金获得者（2024）。长期从事“数字仿真+机器学习”驱动的功能电介质材料数智化研发，曾获教育部自然科学一等奖（2023）。（通讯员：曹明）
