【国际论文】哈萨克斯坦欧亚国立大学：β-Ga₂O₃ 结构中离子痕迹的化学分析及氢、氦分子迁移的分子动力学基础

        由哈萨克斯坦欧亚国立大学的研究团队在学术期刊 Results in Materials 发布了一篇名为 Chemical analysis of ion traces in the betta Ga₂O₃ structure and fundamentals of molecular dynamics of mobilization hydrogen and helium molecules（β-Ga₂O₃ 结构中离子痕迹的化学分析及氢、氦分子迁移的分子动力学基础）的文章。

        氧化镓（Ga₂O₃）是一种超宽带隙半导体（4.7–4.9 eV），因其高熔点、高密度和稳定的电子结构，在高温气体传感器、光电探测器、晶体管以及光学和医疗器件中具有广泛应用。Ga₂O₃ 具有 α、β、γ、δ、ε 五种晶相，其中 α 和 β 相应用最广，β-Ga₂O₃ 为单斜晶系，带隙宽且导带与价带结构适合辐射探测，可用于中子和高能辐射检测，且不受强电磁场影响，具有长期结构稳定性，可替代 4H-SiC 探测器。在核技术领域，高温、低吸收截面和耐腐蚀的材料需求促使研究者探索 Zr 合金、Ga₂O₃/Al₂O₃/TiN 改性材料、纳米多晶 Mo 及 GO/ZrO₂ 复合涂层等高性能材料。同时，三维石墨烯因其高杨氏模量、化学稳定性、疏水性及高导热性，在高温腐蚀环境下的电热管理中显示出潜力。此外，通过模拟研究 Cu 表面被高能簇团注入的动力学过程及石墨烯层的作用，为材料改性和辐射响应机理提供了参考。

        本文研究了能量为 100 eV 的氢离子和氦离子注入 β-Ga₂O₃ 结构后的分子动力学行为及其热导机制。采用 LAMMPS 软件对质子和氦离子注入 β-Ga₂O₃ 过程中气体原子—气体团簇初始形成阶段的机理进行了模拟。结果表明，该晶体结构中的热导率具有各向异性，并随晶体取向而变化，其中沿 k(001) 方向的热导率最高。

        在本研究中，利用分子动力学方法模拟了氢离子和氦离子在 β-Ga₂O₃ 晶体结构中的穿透深度动力学。获得了离子态向分子态转变的动力学初步数据，以及材料结构、光学和机械性能的变化信息。结果显示，在植入时间为 137.1 fs 和 158.9 fs 后，离子在材料结构中转变为分子态。分析了 β-Ga₂O₃ 的热导各向异性特性，结果表明材料在 k[001] 方向的热导率最高。未来研究将重点探讨在各种辐照条件下保持结构稳定性的机制，以及自由体积和自由基的形成。此外，研究还应致力于开发能够在强辐照和离子植入条件下工作的先进复合结构和抗辐射材料，从而拓展其潜在应用。

图 1. 簇撞击金属板（左图）以及带石墨烯层的金属板（右图）的影响。图片序列（自上而下，表示模拟开始后的时间：0 fs、100 fs、125 fs、175 fs）展示了由 18 个铜原子组成的粒子簇落在由 5828 个铜原子组成的纳米块上的过程。粒子簇的总能量为 360 eV。右图中的石墨烯保护层由 660 个碳原子组成。

图 2. 氢离子（H⁺，能量 100 eV）与 β-Ga₂O₃ 晶体相互作用的分子动力学过程，时间点分别为 2.2 fs、11.8 fs、34.4 fs、55.7 fs、76.4 fs、91.5 fs、114.5 fs、125.3 fs 和 131.8 fs。

图 3. 氦离子（He²⁺，能量 100 eV）与 β-Ga₂O₃ 晶体相互作用的分子动力学过程，时间点分别为 0 fs、27.8 fs、64.5 fs、91.7 fs、137.1 fs 和 158.9 fs。

图 4. 温度分布曲线及拟合结果。

图 5. β-Ga₂O₃ 中热导率与样品长度的关系（沿 [100] 方向，非平衡分子动力学 NEMD 方法）、β-Ga₂O₃ 热导率与单元尺寸的关系（格林-库博法 Green-Kubo 方法），以及沿 [100] 方向 β-Ga₂O₃ 热导率的比较（格林-库博法 EMD 与非平衡法 NEMD）。

DOI：

doi.org/10.1016/j.rinma.2026.100893