【会员论文】APL丨香港科技大学（广州）陈子强教授团队：ε-Ga₂O₃中自发极化取向与压电性的原子级解析

        在氧化镓的五种主要同质异形体中，ε 相（ε-Ga₂O₃）因其独特的对称性和物理性质（如具有自发极化特性）而备受关注。与应用最广泛的 β 相相比，ε 相在构建高性能高电子迁移率晶体管（HEMTs）和光电器件方面展现出巨大潜力，因为其极化效应可以诱导出高密度的二维电子气（2DEG）。然而，由于其复杂的晶体结构（属于 Pna21 空间群），学术界对 ε-Ga₂O₃ 自发极化的确切方向（正向还是负向）以及其压电系数的具体数值一直缺乏统一的认识。这种原子级物理机制的不明确，限制了基于极化工程的氧化镓器件的精确设计与性能预测。

        推进半导体中的极化控制对于下一代电子产品至关重要，它能够推动能源和工业系统的革命性进步。亚稳态 ε-Ga₂O₃ 在极化工程器件方面具有广阔前景，但目前仍受限于未解决的极化取向问题和模糊的压电响应。在此，本文采用实验与理论相结合的方法，证明 ε-Ga₂O₃ 具有与晶体生长方向反向平行的自发极化（P_sp），其值为 24.8 uC/cm²。实验测得压电系数 d₃₃ 为 4.125 pm/V，与理论值 4.93 pm/V 高度一致。通过低压雾气化学气相沉积（CVD）技术生长的纯相 ε-Ga₂O₃ 薄膜具有优异的结晶度，这一点可通过 X 射线衍射仪的摇摆曲线（半高宽（FWHM）＝ 0.08°）得到证实。本文采用优化的压电力显微镜方案来确定 d₃₃，同时通过脉冲直流偏压依赖的振幅/相位电压测量结合像差校正扫描透射电子显微镜来解析 P_sp 的取向。这种多模态方法能够直接绘制薄膜表面的束缚电荷分布图，并提供晶体取向的原子尺度可视化。这些发现澄清了 ε-Ga₂O₃ 极化方面的模糊之处，建立了结构 - 性能关系，并为推动电力电子、高频通信系统和节能存储技术的发展解锁了变革性潜力。

        ●研究首次明确了 ε-Ga₂O₃ 自发极化的物理起源和具体方向。通过计算高度对称的参考相与极化相之间的位移，证实了其极化矢量在 c 轴方向上的分布规律，为后续极化异质结的设计提供了标准参考。

        ●利用贝里相位（Berry phase）方法，研究精确计算了 ε-Ga₂O₃ 的纵向压电系数（e₃₃）。结果表明，其压电效应强度足以在异质结界面诱导出显著的极化电荷，这对于开发压力传感器和声表面波器件具有重要意义。

        ●研究发现，ε-Ga₂O₃ 的极化特性与其内部 Ga-O 四面体和八面体的畸变程度密切相关。这种深入到原子尺度的关联分析，解释了为何该相态表现出比其他半导体材料更复杂的铁电/压电响应。

        ●研究探讨了自发极化对 ε-Ga₂O₃/β-Ga₂O₃ 等异质结能带对准（Band Alignment）的影响。研究证实，极化场会显著改变界面的势垒高度，这对于优化载流子在界面处的注入和限制效率至关重要。

        ●该工作不仅填补了 ε-Ga₂O₃ 基础物理参数的空白，还为实现基于该材料的自驱动光电探测器和高频大功率电子器件提供了关键的参数输入，推动了极化增强型氧化镓器件的理论发展。

        通过严格整合的实验理论方法，本文解决了 ε-氧化镓（ε-Ga₂O₃）自发极化和压电性能的方向和大小方面的模糊问题。通过将低压雾气化学气相沉积（LP-mist-CVD）生长的外延薄膜与扫描隧道显微镜（STEM）、压电力显微镜（PFM）和理论分析相结合，本文确凿地证明了这种多晶型中的本征极化矢量与晶体生长方向呈反平行。定量表征显示，自发极化为 24.8 uC/cm²，压电系数在理论与实验之间表现出显著的一致性（直接测量值为 d₃₃ = 4.125 pm/V，而密度泛函理论（DFT）计算值为 4.93 pm/V）。这些值不仅建立了基本结构 - 性质关系，还为器件设计提供了定量基准，特别是通过 PFM 验证的极化映射，该映射展示了可行的界面电荷工程以形成二维电子气（2DEG）。综合结果全面验证了 ε-Ga₂O₃ 的双极化机制，同时将先前的理论预测与实验观察结果进行了调和。为了将这些见解转化为功能器件，未来的研究可能集中在优化生长过程以最小化表面粗糙度、异质界面工程以实现电荷限制，以及开发实时极化控制策略，从而充分利用这种材料在电力电子和高频器件中的独特性能。

        本工作得到了香港科技大学（广州）陈子强初创基金、广州市科技计划项目（编号：2023A03J0003、2023A03J0013、2023A04J0310和2023A03J0152）、广东省教育厅（编号：2024ZDZX1005）、国家外国专家局（编号：Y20240005）以及深圳市科技创新委员会（编号：20231115111658002）的支持。本工作还得到了香港科技大学（广州）材料表征与制备中心（MCPF）和绿色材料实验室的支持。本文中的数值计算使用了广州拓诺稀公司的计算资源。

图1. (a) ε-Ga₂O₃ 的中心对称参考结构，红色球体表示氧原子，绿色球体表示镓原子。 (b) ε-Ga₂O₃ 的极性结构。 (c) ε-Ga₂O₃ 在不同过渡态下的偶极矩。

图2. (a) ε-Ga₂O₃ 的 X 射线衍射（XRD）2 小时扫描图。(b)ε-Ga₂O₃ (004)反射的XRD 摇摆曲线。(c) ε-Ga₂O₃ 的(122)、(211)晶面和 α-Al₂O₃ 的(012)晶面的 XRD u 扫描。

图3. (a) ε-Ga₂O₃ 表面的原子力显微镜（AFM）形貌图像。(b) 扫描霍尔效应（SHO）分析后在 1 V 交流偏压下获得的相应相位频率调制（PFM）图像。(c) 通过 SHO 处理，依次施加 0.4、0.8 和 1.2 V 交流偏压后获得的对比 PFM 图像。(d) 在直流（DC）偏压从 5 V 扫描至 5 V 时的电压 - 信号 PFM 力曲线。(e) 示意图，展示了 P_sp、E_dep 和 E_ext 之间的方向关系。(f) 沿(c)中蓝色箭头所示方向依次施加 1.2、0.8 和 0.4 V 交流偏置场下的压电响应幅度。(g) 用于 PFM 力曲线测量的脉冲直流波形。(h) 基于(f)中振幅与电压数据的线性拟合。

图4. (a) 包含(010)和(100)平面的 ε-Ga₂O₃ 旋转畴的 STEM 图像。(b) (100)平面的放大视图。(c) ε-Ga₂O₃ 与蓝宝石之间的界面区域。(d)–(f) (c)中所示区域的相应 EDS 元素图。(g) 三个镓位点的多面体示意图。(h) (100)平面 STEM 图像中镓位点的对应位置。(i) 五面体和四面体位点的测量原子距离。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0321241