【国内论文】湖南大学、苏州实验室团队：非晶态 SiO₂ 的结构演变及其对与 β‑Ga₂O₃ 界面热传导的影响

        由湖南大学、苏州实验室的研究团队在学术期刊 Journal of Non-Crystalline Solids 发布了一篇名为 Structural evolution of amorphous SiO₂ and its impact on interfacial heat transport with β Ga₂O₃（非晶态 SiO₂ 的结构演变及其对与 β Ga₂O₃ 界面热传导的影响）的文章。

        非晶态 SiO₂ 是微电子、光电子与功率器件中核心的介质与结构材料，其结构与热学性能强烈依赖原子拓扑与制备工艺。β-Ga₂O₃ 作为超宽禁带功率器件核心材料，本征热导率低，与非晶 SiO₂ 介质层形成的异质界面热阻显著，制约器件散热。现有研究多关注晶体界面声子输运，针对淬冷速率调控非晶 SiO₂ 拓扑结构、进而影响 β-Ga₂O₃/SiO₂ 界面热导的原子机制仍不明确，缺乏将非晶结构、振动特性与界面热输运关联的系统研究。

        非晶态二氧化硅（a-SiO₂）是微电子、光子学与先进功率器件中关键的介质与结构材料。其热学与结构性能由原子拓扑变化强烈主导，而原子拓扑对熔融淬冷等制备工艺高度敏感。该团队采用具有 DFT 精度的机器学习原子间势，系统研究了宽淬冷速率范围内 SiO₂ 的非晶化过程，并探究非晶拓扑对热输运的影响。分子动力学模拟表明，快速淬冷形成高度无序网络，局域缺陷分布宽泛；慢速淬冷则增强中程有序性与致密化。这些结构差异导致热导率显著变化。将分析延伸至 β-Ga₂O₃/a-SiO₂ 异质界面，界面热导受 a-SiO₂ 振动谱及其淬冷速率依赖的弛豫行为强烈影响。本工作建立了非晶拓扑、振动特征与界面热输运之间的原子级关联，为高热效率氧化物异质结构设计提供指导。

        •构建适用于 SiO₂ 的 DFT 精度机器学习势，精准描述非晶与界面结构。

        •系统揭示淬冷速率对非晶 SiO₂ 结构演变的调控规律。

        •慢速淬冷增强中程有序与致密化，提升 a‑SiO₂ 热导率。

        •β‑Ga₂O₃/a‑SiO₂ 界面热导由非晶弛豫与晶体取向共同决定。

        •建立非晶拓扑、振动与界面热输运之间的原子关联机制。

        该团队基于深度势分子动力学，系统研究了 SiO₂ 的非晶化过程及其对 β-Ga₂O₃/a-SiO₂ 异质结构界面热输运的影响。以 α 石英为初始结构，通过调控淬冷速率获得具有不同微结构的非晶 SiO₂。慢速淬冷增强局域有序性与密度，提升体相热导率。延伸至异质界面，界面热导随 SiO₂ 结构弛豫改善而升高，并随 β-Ga₂O₃ 取向呈现明显各向异性。声子态密度分析表明，β-Ga₂O₃ 与慢淬冷 SiO₂ 之间的光谱重叠增强，促进更高效的声子传输。这些发现建立了 SiO₂ 非晶结构、振动特性与界面热输运之间的直接关联，为理解功率电子器件热管理相关的 β-Ga₂O₃/a-SiO₂ 界面热输运提供了物理基础。

        本研究得到国家自然科学基金（Grant No. 52177179）、湖南省自然科学基金（Grant No. 2023JJ30146）、湖南省长沙市杰邦领军项目（Grant No. kq2501006）与湖南省科技创新计划项目（Grant No. 2025QK3012）资助。

图 1. 基于 DFT 与 DP 模型的 (a)(c) 能量、(b)(d) 原子力对比；(a)(b) 为最终训练集，(c) 为测试集，(d) 为 Tersoff 势生成的测试集。

图 2. (a) 非晶化过程中温度与 (b) 结构密度随时间的演化；(c) 不同淬冷速率下 a‑SiO₂ 间隙原子占据频率分布；(d)‑(f) 分子动力学模拟从 α‑石英到非晶 SiO₂ 的非晶化序列：(d) 5 K 弛豫，(e) 升温至 4000 K，(f) 淬冷至 300 K。

图 3. (a) 不同淬冷速率下 a‑SiO₂ 的角分布函数（ADF）、(b) 径向分布函数（RDF）与 (c) 结构因子 S (Q)；(c) 中实验数据来自 Salmon 等人。

图 4. 不同淬冷速率下不同尺寸 α‑石英与 a‑SiO₂ 的热导率：(a) 100 K/ps，(b) 50 K/ps，(c) 10 K/ps，(d) 1 K/ps。

图 5. 不同晶向 β‑Ga₂O₃ 沿热输运方向的稳态温度分布：(a) (001)、(b) (100)、(c) (-201)；(d) 对应 β‑Ga₂O₃/a‑SiO₂ 异质结构的界面热导（ITC）数值。

图 6. 不同晶向 β‑Ga₂O₃ 的投影态密度（PDOS）：(a) (001)、(c) (100)、(e) (-201)；以及 a‑SiO₂ 的投影态密度：(b)、(d)、(f)。

DOI：

doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2026.124168