【国际论文】Ceram Int丨俄罗斯托木斯克理工大学、哈萨克斯坦欧亚国立大学：高能电子束合成多孔氧化镓纳米陶瓷的结构与阴极发光特性

        由俄罗斯托木斯克理工大学、哈萨克斯坦欧亚国立大学的研究团队在学术期刊 Ceramics International 发布了一篇名为Structure and cathodoluminescent properties of porous Ga₂O₃ nanoceramics synthesized by a high-power electron beam（高能电子束合成多孔氧化镓纳米陶瓷的结构与阴极发光特性）的文章。

        氧化镓（Ga₂O₃）因宽带隙（4.85 eV）及半导体特性，在功率电子、日盲探测等领域备受关注。其熔点高达1725℃，传统陶瓷/晶体合成方法（如Czochralski、MOCVD）耗时且常需助剂，易引入缺陷。高能电子束辐射合成法可在数秒内直接制备氧化物陶瓷，但该方法对 Ga₂O₃ 的相形成规律、缺陷发光动力学及粉末原料适配性尚缺乏系统研究。本文基于辐射合成法，系统研究电子束参数、粉末粒度对 Ga₂O₃ 纳米陶瓷结构及阴极发光特性的影响。

        本文报道了采用辐射法合成 Ga₂O₃ 陶瓷及其结构与发光特性的研究结果。研究证实，无需添加任何额外物质，利用能量为 1.4 MeV 和 2.5 MeV、功率密度分别为 17 kW/cm² 和 26 kW/cm² 的高能电子流直接辐照 Ga₂O₃ 细粉，可实现 Ga₂O₃ 陶瓷的合成； 10×20×1.0 cm 坩埚内整体陶瓷合成时间仅为 10 s，合成效率达 95%–100%，受电子束能量功率密度影响。合成样品为多晶陶瓷结构，晶粒尺寸约 80 nm，以 Ga₂O₃ β 相为主。通过时间分辨光谱研究了阴极发光（CL）光谱的动态变化，发现 CL 光谱存在快速衰减和慢速衰减两个发射带，峰值分别位于 375 nm 和 440 nm；80 K和 300 K 下，375 nm 峰在 10–1200 ns 内占主导，其衰减曲线非单一指数，可由 1 个指数分量和 2 个双曲分量拟合；毫秒级时间范围内，440 nm 峰振幅占主导。温度从 300 K 降至 80 K 时，440 nm 峰蓝移、带宽减小，长寿命衰减分量对总信号振幅的贡献显著增加。对比陶瓷样品与原始粉末的 CL 光谱，发现二者性质定性相似，但紫外带峰值存在微小偏移，这可能是辐照对氧化镓晶格中氧空位数量影响所致。

        ·首次采用高能电子束（1.4/2.5 MeV）直接辐照合成多孔 Ga₂O₃ 纳米陶瓷，无需任何助剂，合成周期仅 10 s，效率达 95%–100%。

        ·合成产物为 β 相主导、晶粒约80 nm 的多晶多孔陶瓷，明确电子束功率密度阈值为 1.5 kW/cm²。

        ·揭示 Ga₂O₃ 陶瓷阴极发光双带（375 nm快衰减、440 nm慢衰减）的温度与时间依赖特性，阐明氧空位对发光峰偏移的影响。

        研究证实，利用能量为 1.4 MeV 和 2.5 MeV 的高能电子流直接辐照 Ga₂O₃ 粉末可制备Ga₂O₃ 纳米陶瓷；合成样品为多晶多孔陶瓷，晶粒尺寸约80 nm，以氧化镓 β 相为主，晶粒尺寸与原始粉末特性、粒度组成关联性弱，测试辐照条件下电子束功率密度、能量与晶粒尺寸无相关性。明确辐射合成效率（合成样品质量与消耗粉末质量比）接近 100% 的条件： 2.5 Me V电子束、26 kW/cm²功率密度时效率最高；1.4 MeV、17–18 kW/cm² 条件下效率也达 96%–98%。电子束能量影响其在原料中的穿透深度：1.4 MeV、2.5 MeV 电子束能量沉积最大区域分别位于 1 mm、2 mm 深度；合成效率随电子束功率密度升高而提升，1.5–7 kW/cm² 范围内呈线性关系，陶瓷合成需能量密度超过 1.5 kW/cm² 的临界值。粉末粒度影响合成效率，4–10 μm 为主、体积分布均匀的粉末为最优原料，过大或过小颗粒占比过高会降低合成产率。粉末原始特性影响陶瓷发光光谱与动力学特征，原料中未控杂质、形貌差异会影响晶格缺陷数量与结构。合成的 Ga₂O₃ 纳米陶瓷 CL 光谱存在 365 nm紫外快发射峰、440 nm 蓝色慢发射峰；激发结束后，纳秒至微秒级（~2 ms）内紫外峰占主导，更长时间后蓝峰占优；发光衰减含快慢分量，可由 65 ns 指数分量与 2个n=2、γ=2.8 和 0.8 的双曲分量叠加拟合，表明激发态弛豫存在中心内与复合发射过程。80 K低温下，发光峰蓝移、长波侧强度降低；原始粉末与合成陶瓷 CL 光谱定性相似，陶瓷紫外峰（365 nm）较粉末（360 nm）红移，源于高能电子束辐照对氧空位数量的调控，发光测试中光散射也可能导致峰偏移；二者发光动力学特征相近，仅慢分量贡献比例存在差异。

图 1 能量为 1.4 MeV 和 2.5 MeV 的电子在 Ga₂O₃ 粉末中穿行时的能量损失分布

图 2 合成用粉末的分散组成：Ga₂O₃-1（a,c）、Ga₂O₃-2（b,d）。图 a、b 为特定尺寸颗粒的相对数量和相对体积，图 c、d 为粉末的 SEM 照片

图 3 坩埚中 Ga₂O₃-1 陶瓷样品照片：无扫描模式、电子束参数 E=1.4 MeV、P=4 kW/cm²（a）；扫描模式、E=1.4 MeV、P=17 kW/cm²（b）；扫描模式、E=2.5 MeV、P=26 kW/cm²（c）

图 4 Ga₂O₃-2 陶瓷样品照片：无扫描模式、E=1.4 MeV、P=1.5、4.0、7.0 kW/cm²（a,b,c）；扫描模式、P=18 kW/cm²（d）。比例尺单位为厘米

图 5 无扫描模式下、E=1.4 MeV 电子流的功率密度与陶瓷合成效率的关系

DOI：

doi.org/10.1016/j.ceramint.2026.04.221