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【国内论文】Commun. Chem.丨嘉应学院&深信大&台州学院&中山大学裴艳丽教授团队：氧空位在κ-Ga₂O₃电子与光学性质中的作用
日期：2025-12-17阅读：189
由嘉应学院、深圳信息职业技术大学、台州学院、中山大学裴艳丽教授的研究团队在学术期刊Communications Chemistry发布了一篇名为 The role of oxygen vacancies in the electronic and optical properties of κ-Ga2O3（氧空位在 κ-Ga₂O₃ 电子与光学性质中的作用）的文章。
背 景
κ-Ga2O3 作为一种正交结构的超宽禁带半导体，兼具可在 GaN、蓝宝石、SiC 等成熟衬底上外延生长的优势，以及显著的自发极化特性，在高功率电子器件和深紫外光电器件中展现出重要应用潜力。然而，在实际生长过程中不可避免引入的氧空位缺陷会显著影响其电学与光学性能。尽管 β-Ga2O3 中氧空位的性质已被系统研究，但针对亚稳相 κ-Ga2O3，氧空位的热力学稳定性、主导电荷态及其与实验缺陷能级和光学响应之间的对应关系仍缺乏系统而深入的理论认知。这一缺口限制了对 κ-Ga2O3 材料性能的精确调控与器件优化。
主要内容
氧空位被认为是显著影响氧化物薄膜及器件电学和光学性能的关键缺陷，但针对 κ-Ga2O3 的系统性研究仍然相对匮乏。本文基于杂化泛函的密度泛函理论计算，系统研究了 κ-Ga2O3 中氧空位的热力学性质、电子结构及光学特性。研究结果表明，氧空位在禁带中引入了深施主型缺陷，其缺陷能级及跃迁能量受镓原子位移和局域电子行为的共同影响。这种相互作用机制解释了氧空位在特定位点上的稳定性，并揭示了其与实验中观测到的缺陷能级之间的内在联系。此外，氧空位在紫外波段产生了明显的吸收峰和电子能量损失谱特征峰。上述结果阐明了 κ-Ga2O3 中氧空位的本质，为通过缺陷工程调控和优化 κ-Ga2O3 薄膜的电学与光学性能、提升相关器件性能提供了理论基础。
研究亮点
●首次系统揭示 κ-Ga2O3 中不同氧位氧空位的热力学稳定性差异。
●阐明氧空位在 κ-Ga2O3 中作为“深施主”而非 n 型导电来源的本质。
●揭示氧空位负-U 行为及其与局域结构弛豫之间的关联机制。
●建立氧空位电荷态—生长条件—缺陷浓度之间的定量关系。
●将氧空位的微观能级结构与实验可观测的光学特征直接对应。
结 论
在本研究中，基于第一性原理计算，系统研究了 κ-Ga2O3 中氧空位的热力学、电子及光学性质。研究结果表明，氧空位在带隙中引入了深施主能级，显著影响了 κ-Ga2O3 的电子结构与电荷动力学行为。态密度分析证实，这些氧空位会产生新的缺陷态，并与实验中观测到的缺陷能级相对应，阐明了其作为决定电子行为关键因素的作用机理。我们进一步发现，氧空位的形成能随费米能级及生长条件的变化而改变，在富氧缺条件下更倾向于以中性态存在。这表明氧空位可通过极化子形成等机制，对材料的电导特性和电荷输运过程产生显著影响。在光学方面，氧空位的存在会在紫外波段引入额外的吸收峰。本工作全面揭示了氧空位对 κ-Ga2O3 电子与光学性能的影响，为未来通过缺陷工程优化 κ-Ga2O3 基器件性能奠定了坚实的理论基础。
项目支持
本研究部分得到了以下项目的资助与支持：广东省普通高校青年创新人才项目（2025KQNCX085）、广东省丘陵农业智能装备工程技术研究中心（2025GCZX010）、国家重点研发计划（2024YFE0205300）、吉林省科技发展计划项目（编号：YDZJ202303CGZH022）、深圳市科技计划项目（编号：20231127114207001），以及光电材料与技术国家重点实验室开放基金（OEMT-2023-KF-05）。
图 1｜κ-Ga₂O₃ 的结构示意图。(a) κ-Ga₂O₃ 的常规晶胞；(b) κ-Ga₂O₃ 的 80 原子超晶胞。具有不同晶格位置的 Ga1–Ga4 原子分别以绿色、紫色、蓝色和青色球表示；具有不同晶格位置的 O1–O6 原子分别以粉色、黄色、红色、白色、灰色和深青色球表示。
图 2｜采用 PBE 与 HSE 方法计算的 κ-Ga₂O₃ 常规晶胞能带结构。分别给出了基于 PBE 近似和 HSE 杂化泛函计算得到的 κ-Ga₂O₃ 常规晶胞能带结构。
图 3｜含氧空位 κ-Ga₂O₃ 的能带展开结果。分别展示了 κ-Ga₂O₃ 中氧空位位于 (a) O1、(b) O2、(c) O3、(d) O4、(e) O5 和 (f) O6 位置时的能带展开结果。
图 4｜含氧空位 κ-Ga₂O₃ 的原子轨道投影态密度（PDOS）。分别给出了氧空位位于 (a) O1、(b) O2、(c) O3、(d) O4、(e) O5 和 (f) O6 位置时的原子轨道投影态密度（PDOS）。插图表示由氧空位引入的 PDOS。
图 5｜κ-Ga₂O₃ 中氧空位的形成能。在富氧与贫氧条件下，氧空位形成能随费米能级变化的关系。
图 6｜κ-Ga₂O₃ 中氧空位的热力学性质。(a) 低能量氧位点（VO6）处氧空位形成能随费米能级在不同生长条件下的变化关系，阴影区域表示极端富氧与贫氧条件之间的形成能范围；(b) 平衡费米能级（相对于价带顶，E-Fermieq – EVBM）随氧化学势的变化；(c) 中性与双电荷态氧空位的平衡浓度随氧化学势的变化关系。
图 7｜κ-Ga₂O₃ 中 VO0 的几何弛豫（Å）。κ-Ga₂O₃ 中中性氧空位 VO0 的几何结构弛豫情况，黄色阴影区域表示 HOMO 的实空间波函数分布。
图 8｜含中性氧空位 κ-Ga₂O₃ 的介电函数与光学性质分析。(a) 介电函数实部，(b) 介电函数虚部，(c) 吸收系数，(d) 反射率，(e) 折射率，以及 (f) 电子能量损失函数。
图 9｜含 VO 的 κ-Ga₂O₃ 中光学跃迁的示意图。示意 κ-Ga₂O₃ 中与已占据缺陷能级相关的分子轨道（MO），突出展示由于氧空位 VO 缺陷存在而产生的电子跃迁过程；同时给出了 κ-Ga₂O₃ 中 VO0 的 LUMO+1 能级，强调其在材料光学性质中的作用。该示意有助于理解这些电子结构如何共同决定 κ-Ga₂O₃ 的整体光学行为。
DOI：
doi.org/10.1038/s42004-025-01843-1
