【国际时事】NCBJ 核微量分析实验室关于超宽禁带半导体氧化镓的研究

        目前，材料研究正被新技术所驱动，这源于对小型化设备和用更便宜、更有效的替代品取代它们的永无止境的追求。几十年来，新技术一直基于半导体化合物，这些化合物在光电子学领域被证明是不可或缺的，而普遍存在的硅由于其中等且不太宽的能隙而无法使用。在 NCBJ 核微分析实验室，研究人员目前正在研究使用 Ga₂O₃ 来实现这一目的。

        由 Andrzej Turos 教授发起的 NCBJ 在半导体的研究已经持续了近半个世纪。这项研究主要使用来自于波兰的卢瑟福背散射谱/沟道化（RBS/c）技术进行，得益于在 Akcelerator Lech 加速器中获得的高能氦离子束。这项研究的自然结果是开发了一种全球独一无二的 RBS/c 数据分析工具—— McChasy 程序。如今，使用 RBS/c 技术的研究所得益于与欧洲中心——如 HZDR、以及里斯本大学和巴黎萨克雷大学等众多合作。McChasy 程序也在不断发展和改进，使其更加高效、用户友好和广泛可用。

Akcelerator Lech加速器

        氧化镓（Ga₂O₃）是一种非常受欢迎的半导体化合物，最初吸引科学家注意的主要原因是其宽能隙（约4.8 eV），在 ZnO、GaN 和 SiC 等被广泛研究的材料当中是最宽的。Ga₂O₃ 并不是一种新材料。历史可以追溯到大约七十年以前，但由于难以生产高质量晶体，一直处于落后地位。直到世纪之交，由于其独特的特性组合，其真正的潜力才开始被认识到：高电导率（7 MVcm^-1 击穿场）、光学透明性，但最重要的是其对辐射和化学降解的高抵抗性。氧化镓的故事是一个例子，说明了如何通过耐心、技术进步和跨学科研究来实现突破性技术。尽管这种材料长期以来一直被更受欢迎的半导体所掩盖，但今天它是彻底改变电力电子和光电子学的关键候选材料之一。

        NCBJ 科学家对该材料用于光电子应用的研究是在 GaloRE 项目中进行的，由 NCBJ 的 Renata Ratajczak 教授领导，并由 NCN 基金在 OPUS23 竞赛中资助。该小组今年的第三篇论文刚刚发表，还计划发表更多论文。迄今为止在该项目中获得的所有结果都发表在费城名单上的高分期刊上，如 Acta Materialia（200分）、Materials（140分）或 Nature 系列的年轻期刊 Scientific Reports（140分），这证明了所进行的研究的相关性和高水平。

        发表的成果涉及对离子轰击诱导缺陷的分析。这些研究从实际角度来看非常重要，因为产生的缺陷必须在制造在辐射暴露条件下运行的微电子或光电子设备时加以考虑，例如在外层空间或核反应堆中。这是因为缺陷的存在会显着降低某些材料特性，例如电导率、发光效率，并有效地缩短由所述材料制成的设备的寿命。此外，缺陷的识别也非常重要，因为它允许选择适当的方法来消除缺陷，例如通过热退火。

        笔者认为，他们凭借经验开发的研究方法是成功的原因。过去的迹象表明，通常单一的研究所技术，例如 RBS/c，即使有先进的计算机模拟支持，也不足以揭示所研究现象的所有方面。每种结构方法都有其局限性，只有多种研究方法的结合才能构建完整的图像。NCBJ 团队多年来一直结合使用 RBS/c（带通道化的卢瑟福背散射）、XRD（X 射线衍射）和 TEM（透射显微镜）方法。NCBJ GaloRE 项目负责人、最新论文的第一作者 Renata Ratajczak 教授总结道：“这种研究材料群体的独特方法揭示了所研究氧化镓更多有趣的方面，从而取得了进一步的成功，并使我们的团队在业界获得认可。”

离子通道可视化

        她继续说道：“在掺杂了镱离子的氧化镓（Ga₂O₃:Yb）的情况下，RBS/c 研究显示出非常复杂的辐射诱导缺陷积累过程，迄今为止尚未如此详细地研究过。分析表明，在一定离子剂量以上，缺陷的深度分布呈双峰。此外，来自两个区域的缺陷对进一步轰击和退火的敏感性不同，表明我们正在处理两种不同类型的缺陷，它们对通道谱的贡献相同。XRD 研究反而显示出辐射诱导的相变。然而，这种方法无法确定新相在什么深度析出。因此需要 TEM 成像。TEM 研究需要对样品进行特殊制备，这就是为什么它们通常最后进行。在 NCBJ 新购置和调试的透射显微镜设备上进行的 TEM 成像证实了存在两种具有不同类型缺陷的层，并且使用该显微镜的额外附件来研究电子衍射（SAED）使得能够识别出新形成的辐射诱导 γ 相的层。” NCBJ 小组的研究还表明，在靠近表面的层中出现了一种辐射诱导的非晶相。这一发现重新统一了先前分裂的科学界。一些研究这一问题的主要科学团体报告说，Ga₂O₃ 晶体由于辐射而经历了非晶化，而另一些人报告说，晶体反而变得结构自有序，转变为新的 γ 相。核微分析实验室的研究人员通过表明在某些条件下两种相同时存在，从而解决了这一争议。然而，这是否是由于使用的离子、轰击条件或剂量，仍然是进一步研究的主题。

        为了研究具有晶体结构的材料中的辐射诱导缺陷，通常使用离子通道模式下的 RBS 技术。这种结构缺陷可以在晶体生长阶段就已经出现，但更有趣的是，它们主要是材料与离子相互作用的结果，例如在外层空间或核反应堆中。这种条件下的辐射影响需要数年才能显现，但在实验室中，可以使用粒子加速器来加速这一过程。用高能离子轰击材料也是一种将掺杂离子有意引入晶体基质中的常见方法，例如为了改变其光学性质，如将 Yb  原子引入 Ga₂O₃ 中。加速到高能量的离子被引导并穿透样品材料，与晶体原子碰撞并可以将其从正常位置撞出，从而损失能量并改变其运动方向。反过来，以这种方式被撞出的原子可以撞出下一个原子，在晶格中产生“无序”。这种情况类似于我们在台球桌上观察到的情况，其中第一个球撞击堆叠在桌子上的球三角。然而，在有意离子轰击的情况下，我们正在处理 10¹⁵ 个这样的球。简而言之，这就是晶体结构中缺陷的形成方式。当缺陷数量众多时，它们倾向于合并并转化为新的、更复杂的形态。可以使用各种技术研究由此产生的变化，例如透射显微镜（TEM）、X 射线衍射（XRD）或仅离子通道（RBS/c）。

可视化离子束方向的 RBS/c 光谱

        在 RBS/c 技术中，材料再次被加速到高能量的离子轰击，但在这种情况下，这些离子是非常轻的离子（通常是氦）。与重离子不同，它们从晶体的原子反弹（我们使用散射这个术语，因为没有物理碰撞，而是静电排斥），能量损失提供了有关离子散射的原子和深度的信息。如果晶体正确定向，使得加速的离子通过原子行之间的空隙（称为通道，因此得名通道化），则散射非常罕见。然而，如果离子路径上有缺陷，则散射概率会显着增加。收集到的 RBS 谱的形状强烈依赖于离子在其路径上遇到的缺陷类型。这种研究的自然结果是开发了一种全球独一无二的 RBS/c 数据分析工具—— McChasy 程序，它允许分离来自不同类型缺陷的信号。