摘要：2024年11月12日，东华大学范宇驰研究员在国际顶级期刊Nature Communications发表题为《Large internal stress induced nonlinear current-voltage behavior in nanodia

陶瓷基电子器件（如压敏电阻）的性能取决于晶界上的静电势垒调制。

然而，传统的复杂掺杂和退火工艺不可避免地增加了微观结构的不均匀性，这可能会危及器件在使用过程中的性能稳定性和机械可靠性。

2024年11月12日，东华大学范宇驰研究员在国际顶级期刊Nature Communications发表题为《Large internal stress induced nonlinear current-voltage behavior in nanodiamond strengthened ZnO ceramics》的研究论文，颜鹏为论文第一作者，范宇驰研究员为论文通讯作者。

范宇驰，东华大学研究员，博士生导师，国家优青。2006年毕业于武汉理工大学，2007年进入中科院上海硅酸盐研究所攻读硕士学位，师从江莞研究员。后于日本东北大学（Tohoku University）川崎亮（Kawasaki Akira）教授研究室攻读博士学位。2013年于日本东北大学获得工学博士学位，并入选日本学术振兴会特别研究员（JSPS Fellow）继续在东北大学从事结构陶瓷功能化研究；2015年进入日本九州大学（Kyushu University）石原达己（Ishihara Tatsumi）教授研究室从事面向能源应用的低维陶瓷粉体材料的开发工作，2016年至今在东华大学工作。

范宇驰研究员的主要研究方向为：1. 陶瓷材料的超低温烧结技术；2. 结构-功能一体化电磁屏蔽/吸波材料；3. 陶瓷基纤维材料。截至2020年4月，范宇驰研究员已发表Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Adv. Sci.、Small、ACTA Mater.等SCI论文80余篇。

在此，研究人员没有采用掺杂方法，而是展示了一种通过利用内应力诱导的压电极化来调制ZnO基低压压敏电阻中的势垒的策略。

通过冷烧结工艺将超硬纳米金刚石颗粒掺入ZnO基体中，可以创造出高达约1 GPa的局部残余应力。

结果表明，在15.7 V/mm的低开关电压下，仅含2 wt%纳米金刚石的复合材料表现出显著的非线性电流-电压响应，这是由于正负极化对晶界的影响导致势垒高度降低。

此外，由于预应力纳米金刚石高度强化了晶界和裂纹尖端桥接，较大的内应力可以使复合材料的强度比整体材料显着提高230%以上。

这些发现为设计具有高性能的机械坚固陶瓷电子器件增加了内应力这一新维度。

图1：烧结引起的内应力

图2：烧结压力对内应力的调节

图3：非线性电流-电压行为

图4：了解预应力引起的非线性

图5：复合材料中的强化效应

综上，这篇论文提出了一种通过在ZnO陶瓷中加入纳米金刚石颗粒来产生内应力，从而调控晶界势垒的方法，以改善ZnO基低压压敏电阻器的性能。

研究发现，仅含2 wt%纳米金刚石的复合材料在15.7 V/mm的低切换电压下显示出显著的非线性电流-电压响应，内应力显著提高了复合材料的强度，增幅超过230%。

这项研究提供了一种不依赖于传统掺杂和退火工艺的新方法，通过内应力调控来优化陶瓷电子器件的性能，增强了机械可靠性，并提高了电子性能的稳定性。

这种基于内应力调控的方法有望应用于制造更可靠、性能更优的低压压敏电阻器，对于集成电路和半导体电子领域具有潜在的应用价值。

Yan, P., Si, M., Liu, Y. et al. Large internal stress induced nonlinear current-voltage behavior in nanodiamond strengthened ZnO ceramics. Nat. Commun. 15, 9812 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-54279-x.

来源：华算科技