随着功率电子器件向高功率密度、高集成度方向快速发展，聚合物封装绝缘材料在长期电热耦合运行中容易发生电荷注入与积聚，进而诱发局部电场畸变，威胁器件绝缘可靠性。自适应介电材料因具备低场绝缘、高场导通的非线性响应特征，被认为是缓解空间电荷积累与电场畸变的重要候选。然而，现有非线性电导材料大多依赖半导体颗粒接触界面和肖特基势垒网络实现导电切换，其性能受颗粒接触状态、晶界结构和界面缺陷影响，长期面临低渗流阈值与性能可设计性难以兼顾的问题。

  针对这一瓶颈，华南理工大学电力学院王瑞/谢从珍研究团队提出了一种区别于传统界面势垒导电模式的非线性电导材料设计新思路，为高可靠电力电子封装绝缘材料的开发提供了新的材料路径。该研究利用废旧三聚氰胺泡沫热解构建三维连续石墨相氮化碳（g-C₃N₄）骨架，在材料内部形成稳定连通的载流子输运通道，不再依赖高填料含量下离散颗粒的随机搭接来建立导电网络。

  2026年3月26日，相关研究成果以“Potential well engineering for self-adaptive dielectric response polymer dielectrics”为题，发表于国际学术期刊Nature Communications。此前，团队已于2026年2月在Nature Communications发表题为“Reversible dielectric polymers with switchable conduction and insulation for electrostatic protection”的研究论文，本次工作则进一步从体相势阱调控角度拓展了自适应介电材料的设计思路。华南理工大学王瑞、谢从珍为论文通讯作者，华南理工大学博士研究生张道铭、王庆禹为共同第一作者。

图1 势阱型非线性电导材料的设计理念与应用构想。该图对比了传统界面势垒机制与本研究提出的体相势阱机制；并展示了制备思路，由废旧三聚氰胺泡沫制备连续氮化碳骨架，并进一步制备势阱型自适应介电材料

  在此基础上，进一步引入受主掺杂元素B和施主掺杂元素P，通过调控骨架内部局域电子结构与能态分布，在材料内部构建深浅可调、分布可控的势阱结构。其中，B掺杂倾向于引入更深的势阱，增强对载流子的束缚；P掺杂则形成较浅势阱，降低载流子释放门槛，从而实现对阈值场强和非线性导电行为的定向调节。

图2 连续g-C₃N₄骨架的结构特征与非线性导电行为。结果表明，g-C₃N₄泡沫具有三维连通骨架结构；通过 B、P掺杂可有效调控材料的导电开启行为，使复合材料在低填充条件下仍保持显著的非线性导电特性。

  为进一步揭示其内在机理，研究团队结合空间电荷限制电流（SCLC）分析建立了势阱参数定量提取方法。结果表明，势阱深度与势阱密度是决定该类材料非线性导电行为的关键内部参数。基于密度泛函理论计算从电子结构层面验证了B、P掺杂分别对应深势阱和浅势阱的形成机制，实验与理论结果相互印证，建立了掺杂调控、势阱形成与非线性响应之间的关联关系。

图3 势阱型非线性导电机制的定量分析。基于空间电荷限制电流模型，研究提取了不同材料体系中的势阱参数，结果表明B掺杂倾向于引入深势阱，P掺杂则形成浅势阱，验证了势阱深度和势阱密度对非线性导电行为的关键作用

  该材料体系还展现出良好的应用潜力。势阱工程材料能够在高电场下实现快速电荷耗散，并在静电放电测试、击穿性能和循环稳定性等方面表现出良好性能。其中，B掺杂样品在击穿强度与阈值电场之间表现出更大的安全工作窗口，上述结果说明，势阱型自适应介电材料有望应用于高压电力电子封装、场强调控和先进绝缘系统等场景。

图4 杂原子掺杂氮化碳的理论计算结果。电子局域函数、能带结构和态密度分析表明，B掺杂在费米能级附近引入杂质能级，增强电子局域化、对应深势阱形成，P掺杂在导带底附近引入杂质能级，增强电子离域化、对应浅势阱形成，从理论上支撑了实验提出的势阱调控机制

  该研究得到了国家自然科学基金项目（52307025）和2024 IEEE Dielectrics and Electrical Insulation Society（DEIS）Graduate Fellowship 的资助。

  原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-71184-7