【国际论文】氦离子辐照对铁掺杂β-Ga₂O₃热导率的调制

        由美国犹他州立大学的研究团队在学术期刊 Journal of Alloys and Compounds 发布了一篇名为 Modulation of thermal conductivity of iron-doped β-Ga₂O₃ by helium-ion irradiation（氦离子辐照对铁掺杂 β-Ga₂O₃ 热导率的调制）的文章。

        β相氧化镓（β-Ga₂O₃）作为一种重要的超宽禁带半导体，在辐射探测等领域具有巨大潜力。β-Ga₂O₃ 的晶体结构具有各向异性，导致其热导率在不同晶向上存在差异，这对于器件的热管理至关重要。在空间或核反应堆等极端环境中，材料会受到氦离子等高能粒子的辐照，这会引入缺陷，从而改变材料的物理性质，包括其导热性能。尽管已有关于 β-Ga₂O₃ 辐照损伤的研究，但关于氦离子辐照如何具体影响其各向异性热导率的研究尚属空白，而这一信息对于其在极端环境下的应用可靠性评估至关重要。

        β-Ga₂O₃ 是一种重要的超宽带隙氧化物半导体，近年来在辐射探测领域引起了广泛关注。本研究探讨了氦离子辐照对铁掺杂 β-Ga₂O₃ 异方性热导率的影响。采用基于激光的空间域热反射率技术测量了热导率分布图，并通过密度泛函理论（DFT）基的声子输运模拟结果进行了验证。实验结果表明，辐照损伤导致沿 [001] 方向的热导率降低 40%，沿 [100] 方向降低 25%，这显著降低了热导率的各向异性。声子输运模拟表明，当氦原子位于间隙位点或空位时，热导率会降低，而当氦原子占据空位时，这种降低尤为明显。这项工作强调了辐照诱导的微观结构变化在 β-Ga₂O₃ 热输运性质中的作用，这对该材料在极端环境传感器设备中的应用至关重要。

        ● 掺铁的 β-Ga₂O₃ 在氦离子辐照下热导率降低。

        ● 氦离子辐照导致热导率各向异性降低。

        ● 氦及其积累位点共同决定热导率。

        本研究探讨了未处理和氦离子辐照的 Fe 掺杂 β-Ga₂O₃ 的微观结构变化及晶格热导率。基于透射电子显微镜（TEM）的微观结构表征证实，β-Ga₂O₃ 相在氦离子辐照后仍保持稳定。微观图像进一步显示，辐照样品的晶体结构中嵌入了高密度的氦气气泡，平均直径约为 1 nm。在室温下对氦离子辐照样品进行的热导率测量表明，热导率的各向异性有所减弱，沿 [001] 方向的热导率降低约 40%，沿 [100] 方向降低约 25%。基于密度泛函理论（DFT）的声子介导热传导研究表明，当氦原子占据间隙位点或空位时，热导率会降低，且这种降低在氦原子占据空位时尤为明显。本研究表明，氦的存在及其在晶格中的特定积累位点在决定 β-Ga₂O₃ 在氦离子辐照下热导率降低的程度以及热传导各向异性的变化中起着关键作用。

图1. 这些图示展示了氦原子在 β-Ga₂O₃ 单元胞中的各种排列方式：a) 未辐照结构，b–c) 氦原子占据八面体和四面体镓空位，d–f) 氧空位I、II 和 III，以及 g–h) 间隙位 I 和 II。

图2. 氦离子辐照 Fe 掺杂 β-Ga₂O₃ 单晶的透射电子显微镜（TEM）表征。a) 截面图像显示氦离子渗透深度，约为 600 nm。b) 辐照区域的放大图像，用虚线标出。c) 辐照诱导的缺陷。d) 辐照区内氦气气泡的形成。

DOI：

doi.org/10.1016/j.jallcom.2025.182949