【会员论文】南方科技大学---通过摩擦学方法研究 (001) 单晶 β-Ga₂O₃ 的可加工性

        作者感谢深圳市智能机器人柔性与制造系统重点实验室（Grant No. ZDSYS20220527171403009）和深圳市科技创新委员会（Grant No. 20231115111658002）的资金支持。同时，特别感谢南方科技大学核心研究设施及碳中和能源研究院提供的技术支持。

        氧化镓（Ga₂O₃）凭借其超宽禁带和极高的临界电场强度，被认为是下一代功率器件的理想材料。然而，Ga₂O₃ 具有强烈的各向异性和解理倾向，使其高精度表面加工面临巨大挑战。研究通过对单晶 (001) β-Ga₂O₃ 进行系统的摩擦学分析，探讨其可加工性。

        首先，沿不同晶向 [100] 和 [010] 进行往复滑动实验，结果表明 [100] 方向具有较高的耐磨性，而 [010] 方向更容易发生失效。此外，对 (001) β-Ga₂O₃ 进行压痕实验发现，该材料在不同晶向上发生广泛的滑移和解理裂纹，表明机械磨损可能是其主要磨损模式。

        随后，在不同环境条件下的滑动实验表明，磨损率与湿度密切相关。此外，β-Ga₂O₃ 表现出随时间变化的摩擦行为，其摩擦系数（COF）在不同磨损阶段分别稳定在 0.1、0.5 和 0.9。这些结果表明 Ga₂O₃ 的摩擦行为与其表面状态密切相关。研究深入揭示了 Ga₂O₃ 的摩擦学特性，并为其超精密加工提供了指导。

        本研究通过摩擦学方法系统研究了 (001) 单晶 β-Ga₂O₃ 的可加工性及其内在机理，得出以下结论：

        1、沿 [010] 和 [100] 晶向进行的磨损实验表明，β-Ga₂O₃ 具有显著的各向异性磨损特性。其中，[100] 方向耐磨性较强，而 [010] 方向更易发生磨损失效。

        2、压痕实验表明，β-Ga₂O₃ 的变形和断裂机制主要由 [010] 和 [100] 方向的高密度滑移区导致，表明磨损碎屑的积累对材料失效起到重要作用。

        3、在不同环境条件下的 [100] 方向滑动实验表明，磨损率在干燥空气中为 1.5 × 10^-7 mm³/N·m，而在 70% 相对湿度（RH）的湿空气中升高至 4.2 × 10^-7 mm³/N·m。这一变化归因于剪切应力作用下水与 β-Ga₂O₃ 界面处氢氧化物的形成，这些氢氧化物更易作为磨损碎屑被去除。

        4、在滑动实验中，β-Ga₂O₃ 的摩擦系数（COF）表现出随磨损周期变化的特性，在不同阶段分别稳定在 ~0.1、0.5 和 0.9。磨损过程经历三个阶段：初始阶段为轻微磨粒磨损，COF 维持在较低水平；随后由于磨损碎屑的积累和裂纹扩展的链式反应，材料损伤加剧，导致 COF 显著上升。

        本研究的发现加深了对 β-Ga₂O₃ 磨损机理的理解，并为优化加工参数（如载荷、转速和研磨液）提供了重要指导，从而提高 (001) 单晶 β-Ga₂O₃ 的表面加工质量。

图 1. 环境控制摩擦磨损仪示意图。

图 2. (a) 单晶 β-Ga₂O₃ 的晶体结构和晶格常数；在不同晶体学取向下测试磨损表面的扫描电镜图像：(b) [010] 和 (c) [100]。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0253608