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【国内论文】Acta Materialia丨天津大学等揭示Ga间隙缺陷诱导β→γ相变机制：机器学习辅助解析β-Ga₂O₃离子注入缺陷演化
日期：2026-08-14阅读：88
由天津大学、爱尔兰都柏林大学、香港微电子研究院的研究团队在学术期刊 Acta Materialia 发布了一篇名为 Machine-learning-guided molecular dynamics simulations of point defect evolution in β-Ga₂O₃ during ion implantation and annealing（机器学习辅助分子动力学模拟 β-Ga₂O₃ 离子注入与退火过程点缺陷演化）的文章。
期刊介绍
Acta Materialia 是材料科学领域的顶级国际学术期刊，主要发表关于无机材料加工、结构与性能之间关系的高质量原创论文、综述与专题文章。该刊重点强调对材料微观结构与宏观性能之间机理性理解的研究，涵盖从原子/分子尺度的晶体结构与缺陷，到材料的功能性和力学行为等内容，既包括实验研究，也欢迎理论、计算、数据科学等多种方法的交叉工作。Acta Materialia 的最新影响因子约为 9.3 左右，并且在材料科学综合与冶金工程等多个分类中位于 Q1 区，反映出其在材料科学界的高学术影响力。
背 景
β-Ga₂O₃ 作为超宽禁带半导体，禁带宽度约 4.8 eV，理论击穿场强高达 8 MV/cm，是高压功率器件、日盲紫外探测器核心候选材料。五种晶型中 β-Ga₂O₃ 热力学稳定性最优，且离子辐照下可生成亚稳态 γ-Ga₂O₃ 缓解晶格无序，具备优异抗辐照特性。离子注入是调控 β-Ga₂O₃ 电学性能的关键掺杂工艺，但注入会引入间隙原子、空位等大量点缺陷，甚至诱发 β→γ 不可逆物相转变，直接劣化器件可靠性。传统维格纳-塞茨（WS）缺陷识别方法适配低对称 β-Ga₂O₃ 晶格时误差极大，高温热振动、高缺陷浓度场景下缺陷区分效果差；现有分子动力学模拟大多忽略电子阻止效应，会高估离子射程、缺陷浓度与温升，难以精准揭示原子尺度缺陷演化规律。本文基于 DBSCAN 密度聚类与相似度匹配开发专属缺陷识别算法，耦合含电子阻止项的分子动力学模拟，系统研究多注入剂量、退火温度下各类点缺陷迁移、复合与相变机理，为离子注入工艺优化提供原子级理论支撑。
主要内容
在 β-Ga₂O₃ 材料中，Ga 离子注入及后续退火会产生间隙原子、空位等大量点缺陷。为突破传统维格纳-塞茨（WS）缺陷分析方法的局限，本文针对 β-Ga₂O₃ 开发一种基于相似度匹配、DBSCAN 密度空间聚类的缺陷识别算法。该算法可在晶格热扰动、高缺陷浓度条件下精准区分晶格原子与点缺陷，并通过原子配位环境解析识别八种 Ga 间隙构型（Gaia 至 Gaih）。通过对比离子输运模拟（SRIM）与分子动力学（MD）仿真结果、单离子注入模拟分析，证实电子阻止效应至关重要：忽略电子阻止会高估离子射程、缺陷浓度与体系温升。对五种注入剂量（1-5×10¹⁴ cm⁻²）及配套退火工艺开展仿真，确定 1373 K 为最优缺陷修复温度。基于流体静应力、局部径向分布函数（PRDF）、缺陷浓度开展多尺度分析，揭示点缺陷演化与空间分布规律。结果表明 Ga 间隙原子（Gaᵢ）倾向占据四面体、八面体间隙位点，点缺陷聚集与复合会诱发缺陷介导的 β→γ-Ga₂O₃ 物相转变；随注入剂量提升并经退火处理，β 相恢复程度下降、γ 相转变程度加剧，最终形成不可逆相变。与之相对，氧间隙原子（Oᵢ）迁移行为对退火温度更敏感，合适退火温度可大幅提升氧亚晶格再结晶程度。
创新点
① 针对低对称 β-Ga₂O₃ 晶格开发 DBSCAN 聚类+相似度匹配缺陷识别算法，克服传统 WS 法识别误差，可区分 8 类 Ga 间隙构型与 5 种空位缺陷；
② 对比 SRIM 与分子动力学仿真，证实电子阻止效应不可忽略，忽略该效应会大幅高估离子穿透深度、缺陷数量与碰撞温升；
③ 系统仿真 1-5×10¹⁴ cm⁻² 五档注入剂量，确定 1373 K 为最优退火修复温度，低温修复不足、高温易产生表面非晶化缺陷；
④ 阐明 Gaᵢ 占据四面体/八面体间隙并与 Ga 空位形成复合缺陷，诱导 β→γ 不可逆相变，氧亚晶格受热更易完成晶格修复；
⑤ 结合径向分布函数、静水应力场解析缺陷分布，从原子尺度揭示离子注入剂量调控物相转变的内在机理。
结 论
本文开发一种基于 DBSCAN 聚类的相似度匹配缺陷识别算法，该方法可精准区分间隙、空位两类点缺陷与晶格原子，在晶格热扰动、高缺陷浓度工况下仍具备可靠识别精度。通过对比 SRIM 仿真与分子动力学模拟、单离子注入仿真，研究电子阻止效应对离子射程的影响，结果表明忽略电子阻止会显著高估离子穿透范围、体系温升与各类缺陷浓度。采用分子动力学仿真，从原子尺度系统分析 β-Ga₂O₃ 在 Ga 离子注入与退火全过程的缺陷演化机制。研究发现，离子注入与退火过程中 Gaᵢ 会占据八种间隙位点（Gaia 至 Gaih），并与邻近 Ga 空位形成复合缺陷，产生拉应力；该类间隙构型是诱发 β-Ga₂O₃ 发生 β→γ 物相转变的核心诱因。此外 Gaᵢ 的迁移规律显示，随注入剂量升高，退火后材料向 γ 相转变的趋势持续增强，β 相晶格恢复程度同步下降，最终形成不可逆相变。与之相反，Oᵢ 的迁移行为具备强温度依赖性，氧亚晶格表现出更高的晶格刚性。
项目支持
本研究得到国家重点研发计划项目（2024YFF0726104）资助。
图 1 用于 Ga 离子注入 β-Ga₂O₃ 的原子模型，沿 Z 轴包含 163840 个原子，底部固定边界层（z 范围 0-1.5 nm）、恒温层（z 范围 1.5-3 nm）与牛顿层（z>3 nm）；离子注入区域为 6 nm×6 nm 的粉色方形区域
图 2 维格纳-塞茨（WS）法识别非中心对称 β-Ga₂O₃ 中间隙原子存在局限性。(a) 沿 (010) 面观测的 β-Ga₂O₃ 原子尺度结构，标注五种晶体格位（Ga1、Ga2、O1、O2、O3）与四种颜色箭头标注的通道结构；(b) 各原子对应的沃罗诺伊晶胞，按晶胞体积（8-13 ų）上色，晶胞边界大多分布在结构通道内部，虚线框表示间隙原子大概率位于沃罗诺伊晶胞边界（蓝色平面标示区域）
图 3 (a) 293 K 下弛豫后的完整晶格模型；(b) 注入剂量为 3×10¹⁴ cm⁻² 的离子注入缺陷模型；(c) 完整晶格放大图，绿色五角星为 Ga 原子簇中心，绿色圆圈为 O 原子簇中心（中心代表 xz 平面内同簇原子平均坐标，详见补充材料图 S3），绿色虚线为原子簇相邻结构，黑色虚线为 O1/O2 相邻簇连接矢量；(d) 缺陷模型放大图，蓝绿渐变五角星标记与完整模型重合的 Ga 簇位置，蓝色圆圈为缺陷模型 O 簇中心，蓝色虚线为簇间相邻结构，Δθ 代表相邻簇角度偏差，N 为配位原子数量；(e、f) 分别为完整模型、缺陷模型的 DBSCAN 聚类结果，符号代表原子类型与簇中心，外圈圆形为聚类半径 ε
图 4 (a) WS 识别结果：绿色晶格原子（占有率 =1）、红色间隙原子（占有率 ≥2），红圈标出典型误识别原子；(b) DBSCAN 识别结果：深蓝/浅蓝代表 Ga1/Ga2，深黄至浅黄代表 O1/O2/O3，粉色代表 Gaᵢ，绿色代表 Oᵢ，蓝圈为修正后的典型识别区域；(c) 可识别缺陷构型：沿原子列 [010] 方向相邻原子间距区分五类空位（VGa1、VGa2、VO1、VO2、VO3，空位检测方法详见补充材料图 S3）；依据配位环境区分八种 Gaᵢ 间隙位点（Gaₐ 至 Gaₕ），间隙原子与周边空位形成复合结构（与空位相连线条非真实化学键，仅示意复合构型，Gaᵢ 完整检测方法与结构见图 S6），括号数字为配位 O1、O2、O 原子数量
图 5 (a) SRIM 仿真 Ga、O 离子能量损耗随注入能量变化曲线；(b) SRIM 与分子动力学单位长度注入离子浓度对比图，插图展示离子沟道效应使离子滞留于约 150 Å 深度，蓝色线条为入射离子运动轨迹
图 6 0 K 下单离子注入分子动力学仿真中的电子阻止效应。(a) 牛顿层温度演化曲线，插图为 2.5 ps 内温度变化细节；(b) 各类点缺陷浓度演化曲线
图 7 (a) Gaᵢ、Oᵢ 缺陷浓度随注入剂量变化曲线；(b) 八大 Gaᵢ 子位点（Gaia 至 Gaih）缺陷浓度随注入剂量演化曲线，误差棒代表标准差
图 8 注入剂量 2×10¹⁴ cm⁻² 下退火温度对比测试。(a) 退火前后 Gaᵢ 深度浓度分布曲线；(b) 退火前后 Oᵢ 深度浓度分布曲线
图 9 (a-d) 离子注入原始态，(e-h) 1373 K 退火后状态。(a、e) Gaᵢ 深度浓度分布；(b、f) Oᵢ 深度浓度分布；(c、g) Ga-Ga 局部径向分布函数曲线；(d、h) O-O 局部径向分布函数曲线
图 10 五种不同注入剂量下静水应力云图（第 1、3 行）与对应 Gaᵢ 缺陷形貌（第 2、4 行）。虚线区分原始注入态与 1373 K 退火后状态；图中仅展示间隙位点 Gaᵢ（Gaia 至 Gaih）并按类型上色，同时标注晶格原子作参照，静水应力色标区间为 -2 至 2 GPa
DOI：
doi.org/10.1016/j.actamat.2026.122596
