【会员新闻】基于压痕法和第一性原理计算表征单晶β-Ga₂O₃的变形和断裂行为

        近日由大连理工大学在《Materials Characterization》期刊上刊登了一篇名为Deformation and fracture behaviors of monocrystalline β-Ga₂O₃ characterized using indentation method and first-principles calculations（基于压痕法和第一性原理计算表征单晶β-Ga₂O₃的变形和断裂行为）的氧化镓相关论文。

内容摘要

        β-Ga₂O₃是一种超宽禁带半导体材料，由于其具有卓越的光电性能和物理化学稳定性，因此具有极大的发展潜力。然而，其变形和断裂行为并没有得到很好的揭示，关于氧化镓不同晶面的力学性能差异的研究报道也很少，这阻碍了其超精密加工的发展。在这项工作中，通过纳米压痕试验和微米压痕试验对单晶β-Ga₂O₃ (-201)、(001)和(010)晶面的表面变形和断裂行为进行了系统的研究。研究结果表明，(-201)晶面具有相对较大的弹-塑转变临界载荷，(001)和(010)晶面的临界载荷较为接近。相同压入载荷下，(010)晶面更容易发生断裂。通过载荷-位移曲线得到了不同晶面的弹性模量和硬度，其中弹性模量较为接近而硬度表现出明显的各向异性，(010)晶面具有最低的硬度。通过第一性原理计算发现化学键成分以及原子层间堆垛结构是影响力学性能的关键因素。不同晶面在微米压痕下的变形和断裂特征表现出较大的差异，(-201)晶面与(001)晶面发现沿多个方向的滑移带、解理裂纹和滑移裂纹。(010)晶面未观察到明显的滑移现象，由(100)和(001)解理面诱导的解理裂纹以及块状剥离主导了(010)晶面的变形模式。另外，在(-201)和(001)晶面的亚表面还发现了β-Ga₂O₃到α-Ga₂O₃的相变。该工作系统的研究了单晶β-Ga₂O₃ (-201), (001)和(010)晶面在准静态压痕条件下的变形和断裂行为，这对实现单晶β-Ga₂O₃的超精密加工有重要意义。

部分论文数据图

Fig. Elastic modulus and hardness of (a), (d) (-201) plane, (b), (e) (001) plane and (c), (f) (001) plane plotted as a function of indentation load. The insets are SEM images of corresponding indentation load.

Fig. Spatial anisotropy of the (a) Young's modulus, (b) Shear modulus, and (c) Poisson's ratio of monocrystalline β-Ga₂O₃ using first-principles calculations and ELATE software for the elastic properties.

Fig. Schematic illustration of the deformation and fracture of monocrystalline β-Ga₂O₃ on (a) and (b) (-201), (c) and (d) (001), (e) and (f) (010) planes.

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1044580323002784?via%3Dihub