武汉大学张召富教授联合南方科技大学赵骏磊研究副教授近日通过机器学习驱动的分子动力学（ML-MD）和密度泛函理论（DFT），从原子层面揭示了氧化镓四个晶面 (100)、（010）、（001）、（-201）不同的辐照损伤缺陷演化机制。研究成果以“Orientation-dependent surface radiation damage in β-Ga2O3 explored by atomistic simulations”发表在国际期刊《Acta Materialia》上，为通过表面取向工程设计抗辐射 β-Ga2O3 基器件提供了原子水平的理论指导。武汉大学博士生刘太巧为论文第一作者，武汉大学张召富教授和南方科技大学赵骏磊研究副教授为文章共同通讯作者。
背 景
β相氧化镓(β-Ga2O3)具有约 4.9 eV 的超宽禁带，高击穿电场以及出色的抗辐射性能，使其能够在恶劣的辐射环境中保持优异的性能，在航空航天和核工业等领域具有巨大的应用潜力。由于氧化镓晶体结构复杂且具有显著的各向异性，其表面缺陷的结构与物理化学性质会对电学性能产生显著影响，进而引发性能退化和可靠性问题。然而，目前对于不同晶面在抗辐射损伤方面的作用机制尚不清楚。
展开剩余83%主要内容
这项研究通过对氧化镓四个晶面(100)、（010）、（001）、（-201）在 173 K，300 K 和 500 K 下，使用分子动力学模拟，分别进行了每个晶面独立模拟 10 次，共计 10×3×4 = 120 次独立辐照损伤分子动力学模拟，接着对每个晶面的两个案例进行了长达 5 ns 的辐照后退火模拟，以观察初级辐照损伤机制在长时间下的演化情况。最后结合第一性原理计算，共同揭示了氧化镓初级辐照损伤缺陷的稳定性。
结果表明，在四个晶面上，镓空位和氧间隙原子是主要的辐照损伤缺陷类型，同时伴随大量反位缺陷 GaO 和少量 OGa 反位缺陷。氧化镓不同表面的抗辐射性能表现出显著的晶面依赖性，（100）、（001）和（-201）三个晶面辐照损伤主要集中在表层 40 Å 以内；而由于（010）存在很强的沟道效应，使得缺陷能够深入渗透到材料内部，分布深度可达 118 Å。经过高温 1000 K 和长达 5 ns 退火后，（010）面的缺陷得到显著恢复，最终平衡状态下仅留下氧空位这一主要缺陷类型，且其空间分布保持不变。相比之下，（100）、（001）和（-201）面的缺陷仍局限于表面附近，但比（010）面的缺陷更难恢复，且辐照损伤主导缺陷类型在退火后未发生改变。
研究亮点
● 揭示了 β-Ga2O3 实验上常用的四个晶面初级辐照损伤缺陷的显著表面方向依赖性。
● 发现（010）表面存在明显的沟道效应，缺陷可深入渗透材料内部，并在平衡态下形成高浓度的氧空位缺陷。
● 阐明了不同晶面辐照缺陷在稳定性与恢复特性上的差异。
● 确定了反位缺陷 GaO 在辐照损伤中不可忽视的存在。
总 结
本研究利用基于机器学习势函数的分子动力学模拟，系统揭示了 β-Ga2O3（100）、（010）、（001）和（-201）晶面在辐照及后续退火过程中的缺陷动力学演化规律。结合 DFT 计算，进一步阐明了辐照诱导缺陷的稳定性及其对载流子浓度的影响。结果显示，（010）表面存在显著的沟道效应，缺陷可深入渗透至材料内部，尽管总体缺陷数量相对较少，但在平衡态下氧空位浓度最高；而（100）、（001）和（-201）晶面的缺陷主要局限于表层区域，且恢复难度更大。在 1000 K 下退火 5 ns 的结果进一步表明，这三类晶面的主导缺陷类型和辐照后的结果一致。此外，反位缺陷 GaO 被证实是 β-Ga2O3 中辐照诱导缺陷的重要组成部分，不可忽视。总体而言，本研究揭示了 β-Ga2O3 在辐照作用下表现出的明显晶面方向依赖性，为通过晶面选择与调控设计具备优异抗辐射性能的 β-Ga2O3 器件提供了原子尺度的新见解。
图1. (a) 氧化镓的原子结构和表面取向。 (b) (100) B模型设置。
图2. (a) 在 300 K，1.5 keV下辐照后缺陷在不同晶面的空间分布。红色线条表示离子运动轨迹。(b) 在 173 K、300 K 和 500 K 下，不同晶面的点缺陷统计结果。误差棒表示标准误差。
图3. (a) 不同晶面反位缺陷GaO (蓝绿色) 和 OGa (橘色) 在300 K下的空间分布。(b) 在 173 K、300 K 和 500 K 下，不同晶面的反位缺陷统计结果。误差棒表示标准误差。
图4. 反位缺陷GaO and OGa 在级联碰撞过程中由初始状态(a, c) 到最终状态(b, d) 的快照。
DOI：
doi.org/10.1016/j.actamat.2025.121484
滑动阅览全文
来源：亚洲氧化镓联盟
*声明：本文由作者原创。文章内容系作者个人观点，宽禁带半导体技术创新联盟转载仅为了传达一种不同的观点，不代表本联盟对该观点赞同或支持，如果有任何异议，欢迎联系我们。
发布于：北京市美林配资-配资专业门户-在线配资炒股-好股配资网提示：文章来自网络，不代表本站观点。
