【国际论文】德国德累斯顿—罗森多夫亥姆霍兹中心Adv Funct Mater发表：β到γ-Ga₂O₃相变的缺陷分析

        由德国德累斯顿—罗森多夫亥姆霍兹中心（HZDR）的研究团队在学术期刊 Advanced Functional Materials 发布了一篇名为 Defect Analysis of the β– to γ–Ga₂O₃ Phase Transition（β 到 γ-Ga₂O₃ 相变的缺陷分析）的文章。

        Advanced Functional Materials 是材料科学 1 区 TOP 顶刊,每周报道材料科学各方面突破研究,涵盖纳米技术、化学、物理、生物等领域,以快速公正的同行评审、高质量内容和高影响力著称,是国际材料科学界首选。最新影响因子为 18.5。

        氧化镓 (Ga₂O₃) 是一种有前景的超宽禁带半导体材料，在电力电子器件领域具有巨大潜力。相比于传统的碳化硅和氮化镓，Ga₂O₃ 具有更高的击穿电压，并且可以通过熔体生长进行大规模、低成本的晶圆生产。Ga₂O₃ 在太空和核应用中，对辐射耐受性提出了高要求。此外，Ga₂O₃ 中的镓单空位等补偿中心会阻碍实现所需的高 n 型电导率。高能、高注量离子辐照可以将 β-Ga₂O₃ (最稳定的单斜晶相) 诱导转变为 γ-Ga₂O₃ (有缺陷的尖晶石立方晶相)，而不是非晶化。这种 β 到 γ 的相变机制被认为可以抑制非晶化，对于设计耐辐射电子器件至关重要。本研究旨在使用多方法分析，深入理解原子缺陷在离子辐照诱导的 β-Ga₂O₃ 到 γ-Ga₂O₃ 相变过程中所扮演的角色。

        本研究探讨了离子辐照诱导的氧化镓（Ga₂O₃）从 β 相向 γ 相的相变过程、缺陷在相变中的作用以及最终晶体结构的质量。采用多方法分析技术，包括 X 射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）、通道模式卢瑟福背散射谱仪（RBS/c）、 多普勒展宽可变能量正电子湮灭谱（DB-VEPAS）及可变能量正电子湮灭寿命谱（VEPALS），辅以密度泛函理论（DFT）计算，系统表征了相变各关键阶段的缺陷特征。在向 γ 相转变后，RBS/c 光谱中观察到背散射产率降低。这伴随着正电子捕获中心密度的显著下降，原因是生成内嵌空位——这些空位固有于 γ-Ga₂O₃，但深度不足以捕获正电子。将 γ-Ga₂O₃ 的观测正电子寿命与不同理论模型进行比较，发现与三点位点 γ 相模型具有良好一致性。在 β-Ga₂O₃ 向 γ-Ga₂O₃ 相变临界点处，有效正电子扩散长度与正电子寿命的特征性增长，首次实现了通过正电子观测相变过程。此外，随辐照通量增加，这些参数呈现递减趋势，归因于 γ-Ga₂O₃ 的进一步演化、镓空位密度的变化及其在晶格中的相对占据率变化。

        ● 利用 RBS/c、先进正电子技术和 DFT 计算相结合的分析方法，全面表征了 β–Ga₂O₃ 到 γ–Ga₂O₃ 相变所有相关阶段的缺陷。

        ● 首次通过观察有效正电子扩散长度和正电子寿命在相变点处的特征性增加，实现了用正电子技术可视化相变过程。

        ● 提供了独特的见解，解释了重辐照后的 Ga₂O₃ 仍能保持较好的晶体质量，并将这种现象与多晶型转变以及 γ–Ga₂O₃ 结构中固有浅层空位不俘获正电子的特性联系起来。

        研究人员采用多方法分析策略研究了 β-Ga₂O₃ 向 γ-Ga₂O₃ 相变过程中的缺陷结构。经 140 keV Ne⁺ 束辐照后，对 (-201) 取向 β-Ga₂O₃ 进行的 XRD 分析表明，当辐照通量超过特定阈值时会发生相变。透射电子显微镜成像证实了晶体结构从单斜晶系向缺陷尖晶石立方晶系的转变，并揭示出约 260 nm 厚的转变层。完成 γ-Ga₂O₃ 相变后，反向散射布氏谱（RBS/c）显示晶体质量显著提升。采用 DB-VEPAS 和 VEPALS 技术，利用正电子作为原子尺度探针，对单个空位及其团聚体等缺陷进行无损测量与表征。VEPfit 分析结果表明，经 3.5 × 10¹⁶ ion cm⁻² 辐照后，缺陷浓度降低而正电子扩散长度增加，这正是离子诱导相变的明确标志。该缺陷浓度降低现象与 RBS/c 观测到的相变后晶体质量提升趋势相吻合。基于三点位 γ-Ga₂O₃ 相模型计算的正电子寿命与实验结果高度吻合。值得注意的是，γ-Ga₂O₃ 中正电子寿命随辐照通量增加而缩短的现象，在多数半导体材料中属异常行为，是 γ-Ga₂O₃ 的独特特性。研究人员认为这是由于高损伤水平下三点位 γ-Ga₂O₃ 模型中形成更多不同镓空位，而这些空位具有更短的正电子寿命。结果表明，XRD 和 RBS/c 观测到的重辐照 Ga₂O₃ 中相对良好的晶体质量与以下因素相关：a) 约 3.5 × 10¹⁶ ion cm⁻² 辐照量下（以 140 keV Ne⁺ 辐照为例）的晶型转变；b) 在立方晶格特定四面体位点上，γ-Ga₂O₃ 原本缺陷丛生的尖晶石结构中进一步缺陷的显著形成。高辐照通量下，观察到 T_{Ga2} 位点镓空位饱和并聚集成更大缺陷簇。持续辐照导致 T_{Ga1} 位点形成单个空位。这种在 γ 相内空位形成位置的转变，可能解释并促成了 β/γ 双相多形结构的高辐射耐受性。

图1. 不同通量 140 keV Ne⁺ 束辐照后 β-Ga₂O₃ 的结构分析。a) 未辐照样品与低通量辐照样品的 XRD 图谱；b) 高通量辐照样品的 XRD 图谱；c) 原始 β-Ga₂O₃ 表面转化层的明场扫描透射电子显微镜（BF-STEM）图像。d) 沿 [1 0 1] 带轴界面附近 γ 层的高分辨率透射电子显微镜 （HRTEM） 图像 （右） 与快速傅里叶变换 （FFT） 谱图 （左）。蓝色圆圈标记的衍射斑点对应于 γ–Ga₂O₃ {1 1 1} 晶面反射。e) 沿 [0 1 0] 带轴界面附近β区域的高分辨率透射电子显微镜图像及 FFT 谱图。

图2. 不同通量照射下 β-Ga₂O₃ 的 RBS/c 谱图。当辐照通量达到 3.5 × 10¹⁶ ion cm⁻² 及以上时，辐照区域由 β-Ga₂O₃ 转变为 γ-Ga₂O₃。a) 对准 [-201] β-Ga₂O₃ 通道方向后获得的 RBS/c 谱图。b) 相变后重新对准至 [111] γ-Ga₂O₃ 通道方向获得的 RBS/c 谱图。样品配置插图中的虚线仅示意晶面分布，不代表实际错位。需注意深度标尺基于镓原子计算。

图3. 不同通量下 Ne⁺ 辐照样品的 DB-VEPAS 与 VEPALS 结果。图 (a) 和 (c) 展示了 S 参数随正电子注入能量的变化关系，图 (b) 和 (d) 则呈现了正电子寿命随正电子注入能量的变化趋势。图 (a) 和 (c) 中彩色透明曲线代表通过可变能量正电子拟合（VEPfit）方法为各样品生成的拟合 S 参数曲线。(b) 图中的虚线为 γ-Ga₂O₃ 中各类缺陷构型理论计算的寿命，紫色与粉色柱状图则对应 Tuomisto 对 Fe 掺杂 γ-Ga₂O₃ 中不同缺陷构型寿命的解释结果。(d) 图中的虚线表示 γ-Ga₂O₃ 中不同缺陷构型理论计算的寿命。

图4. 不同正电子能量（6 keV）或深度（110 nm）下测得的VEPALS寿命与相对强度随辐照通量的变化关系。a) 不同正电子寿命τ₁（快速湮灭途径）与τ₂（慢速湮灭途径）随辐照通量的变化关系。b) 短寿命正电子τ₁（I₁）与长寿命正电子τ₂（I₂）的相对强度随辐照通量的变化关系。

DOI：

doi.org/10.1002/adfm.202509688