2026年2月12日，深圳大学电子与信息工程学院的徐华松、黄双武团队及其合作者在自然指数期刊《Nature Communications》发表了题为“Reversible dielectric polymers with switchable conduction and insulation for electrostatic protection”的学术论文。文章第一作者是深圳大学电子与信息工程学院徐华松助理教授，华南理工大学电力学院谢从珍教授和王瑞副教授为文章的共同通讯作者。共同完成单位还包括新加坡南洋理工大学和华北电力大学。该工作获得国家自然科学基金委、深圳市高层次引进特聘岗位人才项目和深圳大学青年教师基金的支持。

随着电子设备功率密度和集成度的显著提升，潜在的静电放电威胁不容忽视，长期电荷积累将严重威胁电子器件的可靠性。具有可逆导电-绝缘性能的非线性电导复合电介质被视为自适应消散电荷的有效解决方案。然而，基于传统“背靠背”双肖特基势垒结构的复合电介质非线性系数和阈值场强难以精确调控，更重要的是，为构建长程渗流路径往往需要较高的填充体积（超过30%）。因此，对低填充、高稳定性、可灵活调控的导电-绝缘可逆电介质研究和开发迫在眉睫。基于上述问题，本研究提出了一种基于大面积静电纺丝技术的梯度掺杂策略，实现超低渗流阈值下的高稳定非线性电导复合电介质。该策略通过大规模同轴静电纺丝制备具有电场自适应调控功能的纳米纤维膜，与传统“背对背”双肖特基势垒结构不同，该纳米结构具有可通过材料组成设计独立调控两侧势垒高度的非对称“阶梯式”双肖特基势垒，从而实现对非线性系数的精确调控，以应对多样化应用场景需求。此外，该纳米纤维膜可灵活组装成多种取向构型，使得优化后的纳米复合材料能够在创纪录的超低填充量（0.3 vol%）下实现绝缘-导电态灵活转换。特别地，我们通过发光二极管（LED）与静电放电（ESD）抗扰度测试，验证了该功能梯度材料在实际应用中的可靠性。

图1 SiC-Ga2O3-WO3纳米纤维理化性能表征及“阶梯式”肖特基势垒模型

本研究将基于大规模静电纺丝技术制备的碳化硅-钨酸镓（SiC-GaWO₃）纳米纤维膜，通过平行、垂直及卷曲三种取向构型复合到典型聚合物绝缘材料（环氧树脂）中。随机分散的SiC-Ga15W15纳米纤维未表现出非线性行为，而取向排列的纳米纤维膜因形成连续渗流通路而呈现出优异的非线性性能。值得注意的是，所有采用平行堆叠构型的复合材料的阈值电场（Ec）均高于垂直与卷曲构型，而非线性系数（α）则更低。这一现象源于：（1）环氧树脂薄层承担电压降；（2）卷曲构型中更致密的纤维结构形成了更短的渗流路径。此外，无论是掺杂Ga2O3还是WO3，含垂直或卷曲纳米纤维膜的复合材料的Ec均会下降。即使在超低填充量（0.3 vol%）下，该材料仍展现出理想的非线性J-E特性。相同填充量下，EP/SiC-Ga15W15与EP/SiC-Ga10W20的Ec值基本一致，表明Ec与掺杂金属氧化物的总质量分数直接相关。另一优势在于这些复合材料具有高且稳定的非线性系数（均约为10），满足电过应力控制的要求。肖特基势垒计算证实，相较于传统功能梯度材料，本研究中的纳米纤维膜具有更高的势垒，这解释了其优越的电场自适应调控性能。

据我们所知，所得非线性系数超过了所有已报道的碳化硅基功能梯度材料。虽然部分掺杂氧化锌微变阻器的材料非线性系数高达25，但这通常需要高填充量，从而损害了加工性能。相比之下，氧化石墨烯填充的材料凭借高长径比在较低填充量（3 vol%）下可实现约16的非线性系数。基于此，本研究采用高长径比纳米纤维，使优化后的纳米复合材料在创纪录的超低填充量（0.3 vol%）下仍表现出优异的绝缘-导电转变能力。此外，基于测量得到的防止电介质击穿过程中热击穿的稳态电流极限，我们计算了预击穿区的饱和电流及适用于静电防护应用的额定功率。其额定功率范围在100至250 W之间，对应切换电场为220–575 V/mm，使该类材料适用于多种半导体器件，包括MOSFET（100–200V）、GaAsFET（100–300V）、晶闸管（600–1000V）、SCL（680–1000V）结构及CMOS（250–2000V）集成电路。因此，功能梯度材料的额定功率与开关电场可根据具体静电防护需求进行精确定制。

图2 纳米复合材料制备与表征

为直观验证功能梯度材料的电压控制型非线性J-E特性，我们构建了LED演示电路。在阈值电压UcR下，L4率先点亮，证实了卷曲结构纳米纤维膜具有最低的切换电场。相较于平行排列结构在UcP电压下L3的响应相对迟缓，L4的迅速点亮反映了卷曲结构纳米纤维膜更优的非线性特性（更高的α系数）。这种独特的非线性电荷输运特性还使功能梯度材料展现出优异的静电电荷释放性能，该性能已通过静电放电枪测试得到验证。电荷释放性能主要受阈值电场Ec调控。当对功能梯度材料样品施加150 V/mm电场（低于Ec）时，电荷通过高旁路电阻缓慢衰减，初始电荷量Q0为11 nC。相比之下，当施加的电荷脉冲增至18 nC（对应250 V/mm，高于Ec）时，初始状态的残余电荷会先快速释放至较低水平，随后缓慢衰减。在填充量为0.3 vol%的卷曲结构纳米纤维膜复合材料中也观察到类似的电荷释放过程。因此，通过针对特定工况优化材料组成与微观结构，功能梯度材料可被精确调控以满足多样化的应用需求。为评估其在瞬态高电流与电应力条件下的势垒稳定性，分别对EP/SiC-Ga10W20材料进行了多次ESD脉冲冲击及重复电应力测试。应力作用后的电学特性（非线性系数与切换电场）结果表明，该复合材料保持其功能性势垒行为且未出现显著性能衰减，显示出对脉冲引发热效应的优异耐受性。该方法有效缓解了因掺杂纳米纤维膜与环氧基体不匹配所导致的器件稳定性下降问题。

图3 纳米复合材料的实际应用验证

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-69497-8