【会员论文】武汉大学&南方科技大学Acta Materialia: 原子尺度模拟揭示β相氧化镓表面抗辐射损伤的晶面依赖性机制

        β相氧化镓(β-Ga₂O₃)具有约 4.9 eV 的超宽禁带，高击穿电场以及出色的抗辐射性能，使其能够在恶劣的辐射环境中保持优异的性能，在航空航天和核工业等领域具有巨大的应用潜力。由于氧化镓晶体结构复杂且具有显著的各向异性，其表面缺陷的结构与物理化学性质会对电学性能产生显著影响，进而引发性能退化和可靠性问题。然而，目前对于不同晶面在抗辐射损伤方面的作用机制尚不清楚。

        这项研究通过对氧化镓四个晶面(100)、（010）、（001）、（-201）在 173 K，300 K 和 500 K 下，使用分子动力学模拟，分别进行了每个晶面独立模拟 10 次，共计 10×3×4 = 120 次独立辐照损伤分子动力学模拟，接着对每个晶面的两个案例进行了长达 5 ns 的辐照后退火模拟，以观察初级辐照损伤机制在长时间下的演化情况。最后结合第一性原理计算，共同揭示了氧化镓初级辐照损伤缺陷的稳定性。

        结果表明，在四个晶面上，镓空位和氧间隙原子是主要的辐照损伤缺陷类型，同时伴随大量反位缺陷 Ga_O 和少量 O_Ga 反位缺陷。氧化镓不同表面的抗辐射性能表现出显著的晶面依赖性，（100）、（001）和（-201）三个晶面辐照损伤主要集中在表层 40 Å 以内；而由于（010）存在很强的沟道效应，使得缺陷能够深入渗透到材料内部，分布深度可达 118 Å。经过高温 1000 K 和长达 5 ns 退火后，（010）面的缺陷得到显著恢复，最终平衡状态下仅留下氧空位这一主要缺陷类型，且其空间分布保持不变。相比之下，（100）、（001）和（-201）面的缺陷仍局限于表面附近，但比（010）面的缺陷更难恢复，且辐照损伤主导缺陷类型在退火后未发生改变。

        ● 揭示了 β-Ga₂O₃ 实验上常用的四个晶面初级辐照损伤缺陷的显著表面方向依赖性。

        ● 发现（010）表面存在明显的沟道效应，缺陷可深入渗透材料内部，并在平衡态下形成高浓度的氧空位缺陷。

        ● 阐明了不同晶面辐照缺陷在稳定性与恢复特性上的差异。

        ● 确定了反位缺陷 Ga_O 在辐照损伤中不可忽视的存在。

        本研究利用基于机器学习势函数的分子动力学模拟，系统揭示了 β-Ga₂O₃（100）、（010）、（001）和（-201）晶面在辐照及后续退火过程中的缺陷动力学演化规律。结合 DFT 计算，进一步阐明了辐照诱导缺陷的稳定性及其对载流子浓度的影响。结果显示，（010）表面存在显著的沟道效应，缺陷可深入渗透至材料内部，尽管总体缺陷数量相对较少，但在平衡态下氧空位浓度最高；而（100）、（001）和（-201）晶面的缺陷主要局限于表层区域，且恢复难度更大。在 1000 K 下退火 5 ns 的结果进一步表明，这三类晶面的主导缺陷类型和辐照后的结果一致。此外，反位缺陷 Ga_O 被证实是 β-Ga₂O₃ 中辐照诱导缺陷的重要组成部分，不可忽视。总体而言，本研究揭示了 β-Ga₂O₃ 在辐照作用下表现出的明显晶面方向依赖性，为通过晶面选择与调控设计具备优异抗辐射性能的 β-Ga₂O₃ 器件提供了原子尺度的新见解。

图1. (a) 氧化镓的原子结构和表面取向。 (b) (100) B模型设置。

图2. (a) 在 300 K，1.5 keV下辐照后缺陷在不同晶面的空间分布。红色线条表示离子运动轨迹。(b) 在 173 K、300 K 和 500 K 下，不同晶面的点缺陷统计结果。误差棒表示标准误差。

图3. (a) 不同晶面反位缺陷Ga_O (蓝绿色) 和 O_Ga (橘色) 在300 K下的空间分布。(b) 在 173 K、300 K 和 500 K 下，不同晶面的反位缺陷统计结果。误差棒表示标准误差。

图4. 反位缺陷Ga_O and O_Ga 在级联碰撞过程中由初始状态(a, c) 到最终状态(b, d) 的快照。

DOI：

doi.org/10.1016/j.actamat.2025.121484