【会员论文】西安交通大学——合金和应变对单层 Ga₂O₃ 的电子传输、机械和光学特性的影响： 第一性原理研究

        由西安交通大学的研究团队在学术期刊 Journal of Applied Physics 发布了一篇名为 Alloying and strain effect on the electron transport, mechanical, and optical properties of Ga₂O₃ monolayer: A first-principles investigation（合金和应变对单层 Ga₂O₃ 的电子传输、机械和光学特性的影响：第一性原理研究）的文章。该篇文章被期刊 Journal of Applied Physics 编辑评选为精选文章。

        文章作者感谢国家自然科学基金（Nos. 12374074，11874294）和陕西省高校青年创新团队的资助。并感谢西安交通大学高性能计算平台提供的高性能计算支持。

        人们对二维（2D）材料（如石墨烯、过渡金属二掺杂物和黑磷）产生了浓厚的兴趣，这些材料被称为半导体，可促进摩尔定律的延续。根据国际半导体器件和系统路线图（IRDS）的最新路线图，二维材料预计将于 2034 年正式商业化。由于二维材料在原子层面上的厚度，它们表现出一系列新颖的量子特性。这促使研究人员寻找厚度尽可能小的非层状材料，以匹配二维材料的特性，并探索其独特的光电特性。

        该项研究首次结合特殊准随机结构（SQS）方法与第一性原理计算，探究了合金化对超宽禁带半导体二维（2D）Ga₂O₃ 电子传输性质的影响。通过将 2D Ga₂O₃ 与 Al₂O₃ 和 In₂O₃ 合金化，发现其主要变化体现在电子迁移率上：与 Al₂O₃ 合金化会降低电子迁移率，而与 In₂O₃ 合金化则使其升高，在 (In_0.75Ga_0.25)₂O₃ 合金单层中达到最大值 1.430 × 10⁴ cm² V⁻¹ s⁻¹。进一步分析合金化对力学与光学性质的影响，发现 2D Ga₂O₃ 及其合金具有优异的延展性，为应变工程提供了基础。最后，研究双轴应变对 Ga₂O₃ 单层传输及光学性质的调控作用：2D Ga₂O₃ 的电子迁移率显著高于空穴迁移率，a 方向的压缩应变可进一步强化电子迁移率，而 b 方向的拉伸应变则能提升空穴迁移率，从而实现双极传输调控。合金化与应变工程均能拓展 2D Ga₂O₃ 的光学吸收范围至深紫外区域，并伴随高吸收系数特性

图 1. (a) Ga₂O₃ 单层和 (b) (Al_xGa_1−x)₂O₃/(In_xGa_1−x)₂O₃ (x = 0.5) 合金单层的晶体结构。绿球和红球分别代表 Ga 原子和 O 原子。灰球代表 Al 或 In 原子。

图 2. (a) 电子有效质量 m*，(b) 弹性模量 C_2D，(c) CBM 的变形势常数 EDP，以及 (d) (Al_xGa_1−x)₂O₃、Ga₂O₃ 和 (In_xGa_1−x)₂O₃ 单层在 a 和 b 方向上的电子迁移率 μ_e 和弛豫时间 τ。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0241258