【国际论文】压痕诱导的β-Ga₂O₃晶体中空位缺陷的形成

        本研究探讨了在球形纳米压痕作用下，（−201）β-Ga₂O₃ 晶体近表面区域的力学行为及缺陷形成机制。纳米压痕载荷-位移测量结果显示，当施加载荷达到 8 mN 或更高时，会出现弹性-塑性变形的起始阶段，即所谓的“弹性突变”现象。力学表征提供了深度依赖的硬度和杨氏模量值，分别在 2 至 23 GPa 和 99 至 380 GPa 之间。阴极发光（CL）光谱显示，由于氧空位（V_O）和镓空位（V_Ga 或 V_O-V_Ga 复合物）参与的施主-受主对（DAP）跃迁，蓝光发光（BL）的波长红移 270 meV 并强度增强，同时伴随与自陷空穴相关的固有紫外发光的强烈淬灭。这些光谱变化归因于弹入事件过程中空位缺陷和扩展的非辐射复合中心的形成。深度分辨CL光谱和光谱映射显示，这些缺陷延伸到压头接触区之外，而补充的电子背散射衍射（EBSD）映射证实了压痕周边的局部塑性变形和位错活动。这些发现直接证明了在机械应力作用下位错运动会在 β-Ga₂O₃ 中产生辐射性和非辐射性缺陷，突显了其在光电子和功率电子器件中易受机械损伤的特性。

        ● 对（-201）面的 β-Ga₂O₃ 进行球形纳米压痕会诱发空位缺陷。

        ● 由于供体-受体对的形成，与空位相关的蓝色发光增强。

        ● 阴极发光和电子背散射衍射显示缺陷传播超出了接触区。

        ● 由缩进引起的位错充当非辐射中心，使紫外线发射猝灭。

        ● 研究结果表明，β-Ga₂O₃ 在电子设备中易受机械损伤。

图1. β-Ga₂O₃ 晶体在 0.2、2、4、8、9 和 10 mN 的压痕载荷下的载荷-位移（P-h）曲线。在 8 mN 及以上的载荷下观察到突发变形事件，表明塑性变形的开始。图（f）展示了关键压痕参数：h_f（最终残余深度）、h_c（接触深度）和 h_max（最大穿透深度）。

图2. (a) 示意图展示了在硬质衬底上（−201）β-Ga₂O₃ 单晶的三个压痕循环阶段：接触阶段（A）、加载阶段（B）和卸载阶段（C）。示意图显示了阶段 B 中的 h_max 和阶段 C 中的 h_f。 (b) Ga₂O₃ 晶体的硬度（H）和弹性模量（E）作为 h_max 的函数的计算结果。

DOI：

doi.org/10.1016/j.apsusc.2025.164217