華南理工大學(xué)謝從珍/王瑞團(tuán)隊(duì) Adv. Mater.：金屬納米粒子引導(dǎo)電荷消散的非線性電導(dǎo)材料
隨著對高集成度和高功率密度電力電子設(shè)備的追求，封裝材料的絕緣性能與智能化面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)材料多注重提升絕緣性能，但由于器件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，局部電場畸變與電荷注入難以避免，進(jìn)而易引發(fā)絕緣失效。為此，自適應(yīng)電介質(zhì)（SADs）智能材料應(yīng)運(yùn)而生，具有在低電壓下保持高絕緣性能而在高電壓時迅速排散電荷的能力，從而有效防止由局部電場畸變導(dǎo)致的絕緣故障。其基本原理是借助半導(dǎo)體材料的肖特基勢壘，實(shí)現(xiàn)絕緣-導(dǎo)電的轉(zhuǎn)變。然而，在核殼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路中，殼層電導(dǎo)率難以選擇，加之聚合物基體中相鄰填料間仍存在約微米級的聚合物薄層，進(jìn)一步影響高電場下的電荷消散效率。
針對上述問題，近日，華南理工大學(xué)謝從珍和王瑞團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種通過原位還原策略制備的具有病毒狀結(jié)構(gòu)的微納復(fù)合填料，借助金屬顆粒的局部電場增強(qiáng)效應(yīng)有效減輕了聚合物層對電荷消散的不利影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)合計(jì)算模擬證實(shí)：金屬納米顆粒與SiC間存在界面勢壘，而金屬粒子的表面電場增強(qiáng)能夠顯著減輕聚合物層對于電荷傳輸?shù)牟焕绊。靜電放電測試表明，該自適應(yīng)介質(zhì)在封裝絕緣領(lǐng)域能夠有效防止局部放電破壞，具有優(yōu)異的應(yīng)用前景。
圖1 受病毒啟發(fā)的敏感微結(jié)構(gòu) (a) 病毒結(jié)構(gòu)示意圖，其表面具有能夠識別外部信息的敏感受體。(b) 類病毒結(jié)構(gòu)金屬納米粒子/SiC填料與復(fù)合材料的制造過程 (c)與AgNPs/SiC 元素圖譜相對應(yīng)的TEM圖像和(d)HAADF-STEM圖像
受到病毒所具備的突起結(jié)構(gòu)啟發(fā)，在填料表面構(gòu)建敏感微結(jié)構(gòu)可顯著增強(qiáng)填料鄰域電場并促進(jìn)電荷傳導(dǎo)。同時，金屬納米顆粒與SiC間會形成肖特基勢壘，為自適應(yīng)介質(zhì)的非線性電導(dǎo)特性提供支持。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算證實(shí)了金屬納米粒子-碳化硅界面上的勢壘高度由金屬材料的功函數(shù)和半導(dǎo)體材料的費(fèi)米能級差異決定。
圖2 金屬納米粒子/SiC填料的能帶結(jié)構(gòu)
圖3金屬-碳化硅界面肖特基勢壘的第一性原理計(jì)算結(jié)果
具有金屬納米粒子的復(fù)合材料表現(xiàn)出典型的非線性導(dǎo)電特性，即電導(dǎo)率隨電場的增加而迅速增大。由于金屬納米顆粒的良好分散性和極低的含量，它們的存在并不會顯著提高材料在低電場下的導(dǎo)電性。然而在高電場下，金屬納米顆粒作為敏感微結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電路徑的組成部分，可有效提高電荷消散效率。相場仿真結(jié)果顯示，當(dāng)復(fù)合材料承受直流電壓時，內(nèi)部電場強(qiáng)度并不是均勻分布的。隨著外加直流電壓的增加，金屬納米粒子附近的聚合物會承受更高的電場強(qiáng)度，從而增加電子跳躍傳導(dǎo)的概率。金屬納米粒子成為鄰域聚合物中電子的俘獲中心。與純碳化硅填充的復(fù)合材料相比，金屬納米顆粒不僅能有效引導(dǎo)電子傳輸，從而降低閾值場強(qiáng)，還能在電子傳導(dǎo)路徑上帶來大量金屬-半導(dǎo)體界面勢壘，增強(qiáng)非線性導(dǎo)電特性。
圖4復(fù)合材料的非線性導(dǎo)電行為
為了評估復(fù)合材料的保護(hù)能力，課題組測試了其在電荷脈沖時的自適應(yīng)電荷釋放行為（圖 5）。結(jié)果顯示在低電壓作用下，非線性材料保持絕緣特性；然而隨著電壓等級升高，材料承受電場強(qiáng)度高于閾值場強(qiáng)時，內(nèi)部導(dǎo)電通路被激活，導(dǎo)致電導(dǎo)率迅速提高，將表面電荷迅速消散。上述結(jié)果顯示，具有非線性導(dǎo)電特性的封裝材料在暴露于靜電危險(xiǎn)時往往能更快地消散電荷，從而降低電子元件發(fā)生故障的可能性。
圖5
相關(guān)研究成果以“Self-Adaptive Dielectrics with Tunable Nonlinear Electrical Conductivity via Virus-like Structures Composed of Metal Particles”為題發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《Advanced Materials》上。華南理工大學(xué)謝從珍教授、王瑞副教授為論文的通訊作者，華南理工大學(xué)博士研究生張道銘為論文第一作者。感謝國家自然科學(xué)基金（No. 51977084，52307025）等項(xiàng)目對本文的資助。
文章鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202411645
