【国内论文】内蒙古大学---各种碱合成的 β-Ga₂O₃ 粉末的结晶和氧空位研究

        由内蒙古大学的研究团队在学术期刊 Journal of Alloys and Compounds 发布了一篇名为 Study on crystallization and oxygen vacancies of β-Ga₂O₃ powder synthesized from various alkalis（各种碱合成的 β-Ga₂O₃ 粉末的结晶和氧空位研究）的文章。

        该研究得到了国家自然科学基金委员会（NNSFC）（Grant No. 62364014 和 12164031）的支持。

        β-相氧化镓（β-Ga₂O₃）因其优异的光电特性（如超宽带隙 4.6-4.9 eV，高击穿场强 8 MV/cm）在光电子和电力电子领域备受关注。高纯度、晶粒均匀且形貌可调的 β-Ga₂O₃ 多晶粉体是生长高质量单晶、制备气体传感器、光催化剂等应用的基础。β-Ga₂O₃ 粉体的制备方法主要有固相反应法和湿化学法（如溶胶-凝胶法、水热法、沉淀法）。沉淀法（通常伴随后续热处理）因其工艺简单、高效、实验条件易于控制（如镓源选择、溶液酸碱环境、反应温度）而被广泛采用。通常首先通过沉淀反应合成前驱体 α-GaOOH，然后经高温（通常 >700°C）煅烧得到 β-Ga₂O₃ 粉末。然而，精确控制所得 β-Ga₂O₃ 粉末的结晶度和形貌仍具挑战性。此外，高温热处理后粉末中常存在氧空位等本征缺陷，这些缺陷对材料的光电特性和器件性能有重要影响。光致发光（PL）谱中的蓝/绿光发射带通常与这些缺陷辅助的复合过程有关。氧空位浓度对 Ga₂O₃ 气体传感器的性能也至关重要。但直接检测氧化物中的氧空位非常复杂。实验上常通过 PL 和 X 射线光电子能谱（XPS）来表征氧空位缺陷及其浓度。尽管存在一些先进的缺陷谱学技术，但目前关于 Ga₂O₃ 中氧空位的大部分信息仍来源于密度泛函理论（DFT）计算。

        控制氧化镓（Ga₂O₃）晶体的结晶以及内在缺陷（氧空位）是获得高质量材料和阐明缺陷如何影响半导体性能的关键步骤。氧化镓氢氧化物（GaOOH）首先是通过硝酸镓(Ga(NO₃)₃)与不同的碱（尿素、NH₃·H₂O、Na₂CO₃ 和 NaOH）反应，利用沉淀技术合成的。然后，在煅烧阶段加入碳粉作为还原剂，得到 Ga₂O₃ 粉末。经 X 射线衍射仪（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）分析，NH₃·H₂O 制备的 β-Ga₂O₃ 粉末的结晶度最佳。同时，光致发光（PL）和 X 射线光电子能谱（XPS）结果结合第一原理计算表明，用 NH₃·H₂O 制备的 Ga₂O₃ 粉末的本征氧空位也最少。

        ● 通过湿化学方法制备 β-Ga₂O₃ 粉末。

        ● 通过碱的选择进行调整 β-Ga₂O₃ 粉末的结晶和形貌。

        ● 通过 PL、XPS 和 DFT 计算对氧空位进行了研究。

        本文给出了利用沉淀法制备 β-Ga₂O₃ 粉末的实验过程。结果表明，NH₃·H₂O 得到的 Ga₂O₃ 粉末结晶效果最好。碳粉的加入有助于提高结晶度。研究人员还发现，利用 NH₃·H₂O 制备的样品中氧空位最少。最后得出结论，通过使用不同来源的氢氧化物，可以有效控制结晶和氧空位。第一性原理计算结果显示，不同位置的氧空位会对带隙结构产生影响。这些结果为湿法合成 Ga₂O₃ 多晶粉末提供了一些参考，有望应用于气体检测领域。

图 1. 利用沉淀技术制备 Ga₂O₃ 的示意图。

图 2. α-GaOOH 的 XRD 图。

DOI：

doi.org/10.1016/j.jallcom.2025.180889