【国际论文】俄罗斯圣彼得堡彼得大帝理工大学：α-Ga₂O₃中碰撞级联的密度与分形特性

        由俄罗斯圣彼得堡彼得大帝理工大学的研究团队在学术期刊 Applied Physics Letters 发布了一篇名为 Density and fractality of collision cascades in α-Ga₂O₃（α-Ga₂O₃ 中碰撞级联的密度与分形特性）的文章。

        α-氧化镓（α-Ga₂O₃）是一种前景广阔的超宽禁带半导体，在需要承受强辐射环境的应用中具有巨大潜力。在这些环境中，高能粒子的撞击会在材料内部引发碰撞级联，即一系列连锁的原子位移事件，这是造成材料辐照损伤的根本原因。传统的辐照损伤模型通常假设碰撞级联产生的缺陷是均匀分布的，但越来越多的研究表明，级联的结构实际上非常复杂，且具有分形特征。理解碰撞级联在原子尺度下的真实形态、密度和分形特征，对于精确预测和模拟 Ga₂O₃ 材料的长期辐照损伤行为至关重要。

        在将离子束技术应用于材料时，控制辐射缺陷的产生至关重要。本研究以氧化镓菱形六面体（α-Ga₂O₃）为模型，探究了轰击离子质量对无序结构形成的影响。通过分析碰撞级联密度对 α-Ga₂O₃ 表面非晶化速率的具体作用，成功区分了该参数的效应。值得注意的是，在收集实验数据的同时，基于二元碰撞近似理论，运用不同算法计算碰撞级联参数，成功预测了实验中观测到的无序积累趋势。此外，证明了 α-Ga₂O₃ 中的碰撞级联可纳入分形几何框架建模，并揭示了分形维数与碰撞级联密度之间的关联性。这些成果深化了对 Ga₂O₃ 多形体中辐射缺陷的认识，为该类重要材料的离子束技术开发提供了理论支撑。

        ● 首次将分形维数这一数学概念系统地应用于描述 α-Ga₂O₃ 中的碰撞级联形态，为定量表征辐照损伤的复杂结构提供了全新的、更精确的物理量。

        ● 清晰地揭示并定量描述了碰撞级联形态随 PKA 能量增加而从单一核心转变为多分枝亚级联的演变规律。

        ● 将原子尺度的级联形态与后续可能发生的非晶化现象联系起来，为从根本上理解材料的宏观辐照损伤行为提供了微观层面的物理图像。

        本文研究了碰撞级联密度对 α-Ga₂O₃ 室温离子注入中无序结构形成的影响。通过实验与理论相结合的方法，证明碰撞级联密度是影响原子离子与簇离子轰击诱导表面非晶化的关键参数。具体而言，表面非晶化速率随碰撞级联密度的增加而增大，该密度取决于离子质量及簇离子尺寸。此外，非晶/晶体界面的明显局域化效应影响晶体深层缺陷平衡，导致该区域呈现非平凡的无序积累趋势——例如随离子质量增加而降低的无序水平。还证明 α-Ga₂O₃ 中的碰撞级联可通过分形几何框架建模，将分形维数与碰撞级联密度建立关联。所得结果深化了对 Ga₂O₃ 多形体中辐射缺陷的认识，可应用于这些材料的离子束缺陷工程开发。

图1. (a) 不同离子注入至 α-Ga₂O₃ 中，对应 3 dpa 剂量的相对无序度与深度分布曲线。(b) 不同离子在 Ga₂O₃ 中产生的总空位 (n_v) 深度分布；(c) 模拟代码 SRIM 模拟的 α-Ga₂O₃ 中 40 keV 磷离子与两个 25 keV 氟离子模拟 PF₂ 簇产生的随机单次碰撞级联的二维投影。(b) 图中的方程描述了簇离子 dpa 的计算方法，其中 n_v^max 为 (b) 图中获得的最大空位数值，n_at 为 α-Ga₂O₃ 的原子密度。

图2. 基于基本算法的 α-Ga₂O₃ 中级联密度计算总结。(a) 由 SRIM 代码模拟计算的 120 keV 氙离子产生的单次碰撞级联投影。(b) 靶材中形成的单次碰撞级联平均密度(ρ)；(c) 在给定深度 5 nm 范围内产生至少一次子级联的离子比例 (g)。

图3. 采用先进算法进行碰撞级联密度计算的方法及数据。（a）与图 2 (a) 相同的单个碰撞级联投影。（b）不同离子碰撞级联密度（ρ）随深度变化的曲线，图例所示。

图4. α-Ga₂O₃ 中碰撞级联的分析方法及分形分析数据。(a) 与图 2 (a) 相同的单个碰撞级联投影图。(b) 不同离子随深度变化的分形维数。

图5. α-Ga₂O₃ 表面非晶层厚度与 SAL/晶界处三参数的关系：（a）和（b）分别采用基础算法与高级算法计算的碰撞级联密度，以及（c）分形维数。曲线仅为视觉辅助。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0288966