2026年4月14日——加州大学圣塔芭芭拉分校材料系的研究人员揭示了高能电子破坏微电子器件内部化学键的量子机制，这一有害过程会随时间推移逐渐降低器件性能。该发现发表于《物理评论B》期刊编辑推荐栏目，不仅解释了困扰学界数十年的实验谜题，更为设计更可靠的电子器件铺平了道路。

从智能手机、笔记本电脑到太阳能电池和医疗植入体，现代电子设备都依赖半导体材料长期稳定的性能表现。然而即便是最先进的器件也会因逐渐损耗而性能衰退，其主要元凶正是“热载流子退化”现象——高能电子引发器件内部深层的化学变化。此前由于缺乏对这一过程物理机制的准确认知，工程师们始终难以有效抑制该现象。

Chris Van de Walle教授领导的计算材料研究团队首次揭示了触发化学键断裂的量子机制。该研究聚焦于晶体管核心部位硅氧化物界面附近的硅-氢键。这些氢原子本是为钝化硅断键而在制造过程中特意引入的，旨在防止断键成为影响性能的电活性缺陷。但当持续暴露在流经晶体管的电子流中时，氢原子会偶尔脱离，重新暴露出硅断键从而导致器件性能退化。

传统观点认为这种断键是多个电子累积轰击的结果。但Van de Walle团队通过先进的量子模拟证明，该过程实际上由单个电子触发。研究人员发现了一个此前未知的关键电子态：当高能电子短暂占据该态时，会削弱硅-氢键并将氢原子推出原位。

在第二项突破中，该团队发现氢原子脱离化学键时遵循量子力学规律而非经典物理法则。若按经典粒子行为，只需根据硅氢原子间距即可定义断键标准。但氢原子实则表现出“波包”的量子特性，断键与否取决于氢原子波包扩展到特定距离的概率。

这一新机制解释了多年未解的实验现象：为何电子能量在7电子伏特左右时断键效应最强（该数值对应新发现的电子态能量）；为何该过程与温度无关；以及为何使用氢同位素氘替代时（氘电子特性与氢相同但质量加倍），断键速率会降低近百倍。新量子模型完美诠释了所有这些现象。

“研究表明，高度非经典状态下电子与原子核的相互作用主导了断键过程，”论文第一作者、Van de Walle实验室博士后Woncheol Lee指出，“这与传统的热致损伤机制截然不同，是一种转瞬即逝的量子事件，我们现在无需依赖实验拟合即可建模。”

该突破的影响远超硅基技术领域。电子诱导断键现象普遍存在于发光二极管(LED)和功率电子器件等半导体材料中，当前紫外LED的器件退化问题尤为突出——这类器件在消毒净水等领域具有重要应用前景。

“我们建立的量子框架为材料科学家提供了预测工具，”Van de Walle表示，“能评估极端条件下哪些化学键最易断裂，从而设计出寿命更长的稳定材料。”

本研究获得美国空军科学研究办公室和三星半导体全球研究拓展计划资助，计算工作由美国国家科学基金会先进网络基础设施协调生态系统(ACCESS)项目支持，在德州高级计算中心完成。