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【国内论文】JAC丨西南石油大学潘勇研究员：Lu-、Cr- 单掺杂和 Lu-Cr 共掺杂对 β-Ga₂O₃ 电子和光学性能的影响
日期：2026-10-09阅读：163
由西南石油大学潘勇研究员的研究团队在学术期刊 Journal of Alloys and Compounds 发布了一篇名为 Influence of Lu-, Cr- single doping and Lu-Cr co-doping on the electronic and optical properties of β-Ga₂O₃（Lu-、Cr- 单掺杂和 Lu-Cr 共掺杂对 β-Ga₂O₃ 电子和光学性能的影响）的文章。
背景
作为典型的超宽禁带半导体材料，二维（2D）β-Ga₂O₃ 在日盲紫外探测器和自旋电子学领域展现出广阔的应用前景，但其过宽的禁带宽度限制了紫外光吸收效率，且传统的合金掺杂虽然能缩减带隙，却常因引入深阶缺陷而将吸收光谱扩展至红外区域，削弱了紫外吸收的特异性与载流子利用率。
主要内容
作为一种典型的宽带隙半导体，二维（2D）β-Ga₂O₃ 在日盲紫外光探测器和自旋电子学领域具有广阔的应用前景。然而，其较大的带隙和合金化后扩展的红外吸收范围限制了其紫外吸收范围和强度。为了解决这些问题，该团队采用第一性原理计算来研究镥（Lu）掺杂、铬（Cr）掺杂以及镥-铬（Lu-Cr）共掺杂对 2D β-Ga₂O₃ 结构稳定性、电子和光学性能的影响。计算结果表明，与铬掺杂相比，镥掺杂和镥 - 铬共掺杂的 β-Ga₂O₃ 表现出优异的热力学稳定性。重要的是，镥掺杂降低了 β-Ga₂O₃ 的带隙。然而，铬掺杂会引入杂质能级并导致明显的自旋分裂。特别地，该团队发现由于 f-d 轨道耦合，镥-铬共掺杂能够协同调节带隙和自旋极化带结构。此外，镥掺杂提高了静态介电常数和深紫外吸收，而镥-铬共掺杂则进一步增强了吸收强度，并在保持强自旋极化的同时使吸收峰发生蓝移。因此，该团队认为这项工作为优化 2D β-Ga₂O₃ 的电子和光学性能以用于紫外探测及相关电子和光学应用提供了一种可能的策略。
创新点
①协同掺杂改善热力学稳定性：Lu 单掺杂和 Lu-Cr 共掺杂结构均表现出优异的热力学稳定性；Lu 的引入成功缓解了 Cr 单掺杂引起的局部晶格应变与热力。
②f-d 轨道协同调控带隙与自旋极化：利用 Lu 的 4f/5d 轨道与 Cr 的 3d 轨道的协同效应，实现了带隙的有效缩窄以及不同自旋通道的不对称调控，并在保持强自旋极化的同时消除了深阶缺陷。
③深紫外吸收增强与蓝移：Lu 的引入显著提升了材料的深紫外光吸收能力与静电介电常数；Lu-Cr 共掺杂进一步增大了吸收强度，并使紫外吸收峰发生蓝移（波长移动至约 60 nm），实现了光电吸收与自旋极化的双重优化。
结论
综上所述，本篇文章采用第一性原理计算来研究 Cr/Lu 单掺杂和 Lu-Cr 共掺杂对二维 β-Ga₂O₃ 结构稳定性、电子特性和光学特性的影响。结果表明，Lu掺杂和 Cr-Lu 共掺杂的 Ga₂O₃ 均表现出优异的热力学稳定性。Lu 的引入可以缓解 Cr 掺杂引起的结构不稳定性。计算得到的能带结构表明，Lu 掺杂可以缩小二维 β-Ga₂O₃ 的带隙宽度。相反，Cr 掺杂由于 Cr-3d 态的强自旋极化效应，会在带隙中引入与自旋相关的杂质能级。Lu-Cr 共掺杂中 f-d 态的协同效应实现了更显著的带隙缩小，并在不同的自旋通道中表现出明显的不对称调节特征。当两种掺杂原子均占据 Ga2 位时，带隙的不对称调节最为显著。
图1. 2D β-Ga₂O₃ 的示意图，(a) 共掺杂机理图，(b) 2D β-Ga₂O₃，(c) 镥-铬共掺杂的 2D β-Ga₂O₃。
图2. 母体 β-Ga₂O₃ 的能带结构示意图。
图3. 2D β-Ga₂O₃ 超晶胞的俯视图结构图（左）和差分电荷密度分布图（右），(a) 2D β-Ga₂O₃，(b) 掺杂 Lu 的 Ga1，(c) 掺杂 Lu 的 Ga2，(d) 掺杂 Cr 的 Ga1，(e) 掺杂 Cr 的 Ga2，(f) Lu-Ga1 Cr-Ga1，(g) Lu-Ga2 Cr-Ga1，(h) Lu-Ga1 Cr-Ga2，(i) Lu-Ga2 Cr-Ga2。
图4. 掺杂 Lu、掺杂 Cr 以及 Lu-Cr 共掺杂的二维 β-Ga₂O₃ 的能带结构，(a)二维 β-Ga₂O₃，(b)掺杂 Lu 的 Ga1，(c)掺杂 Lu 的 Ga2，(d)掺杂 Cr 的 Ga1，(e)掺杂 Cr 的 Ga。
图5. 掺镥、掺铬和镥铬共掺杂的二维 β-Ga₂O₃ 的态密度（DOS），(a) 二维 β-Ga₂O₃，(b) 掺镥 Ga1，(c) 掺镥 Ga2，(d) 掺铬 Ga1，(e) 掺铬 Ga2，(f) 镥-Ga1 铬-Ga1，(g) 镥-Ga2 铬-Ga1，(h) 镥-Ga1 铬-Ga2，(i) 镥-Ga2 铬-Ga2。
图6. 掺镥、掺铬和镥铬共掺的二维 β-Ga₂O₃ 的介电函数图，(a) 实部介电函数（Re）和 (b) 虚部介电函数（Im）。
图7. 掺镥、掺铬以及镥铬共掺杂二维 β-Ga₂O₃ 的光学吸收系数。
图8. 掺镥、掺铬以及镥铬共掺的二维 β-Ga₂O₃ 的电子能量损失函数。
DOI：
doi.org/10.1016/j.jallcom.2026.191079
