【会员论文】南科大电子系化梦媛课题组联合揭示极端条件下氧化镓的有序化相变新机制

        长期以来，半导体晶体材料在高能粒子高剂量轰击下的结构演化被认为会直接失去规则排列，形成无序的玻璃态。然而，这项研究发现，当β相氧化镓内部原子损伤达到临界阈值时，其镓原子亚晶格会通过特定短程路径自发重组为亚稳态晶体结构。这一现象挑战了“无序必然导致非晶化”的传统认知，揭示了动力学路径在材料相变中的决定性作用。研究团队通过大规模原子尺度模拟与最新实验交叉验证，提出“无序临界”概念——当原子位移超过这一临界阈值，系统会优先选择迁移路径更短的亚稳态γ相重构，而非完全无序化。

图 2 机器学习驱动的分子动力学模拟：在低无序水平下，晶格损伤可以通过镓原子的快速迁移迅速恢复。相反，当累积的晶格损伤完全取代原始β相时，系统达到无序临界水平，镓亚晶格在动力学上倾向于转变为亚稳态γ相晶格

        研究团队通过利用最先进的原子分辨率扫描透射电子显微镜和机器学习驱动的分子动力学模拟技术，精确确定了触发从β相向γ相转变的无序临界阈值，并在周期性晶格体系中详细描述了β相到γ相晶格相变的完整原子级最短迁移路径，主要包括短程镓原子位移以及伴生应力释放。

图 3 β相至γ相的完整最短原子迁移路径的机理阐述：这种迁移路径在辐照损伤过程后的原子迁移中，显著减少了镓原子到达局部稳定晶格位点所需的迁移距离

        该成果为极端条件下半导体材料及其器件设计提供了全新思路。氧化镓是新一代高性能功率半导体和深紫外探测器的核心材料，其晶体结构的精准调控直接决定器件性能。通过控制材料结构无序度，未来可定向制备传统方法难以合成的亚稳态多相态材料体系，推动电子器件效率和稳定性的突破。此外，研究提出的动力学路径选择机制有望拓展至核反应堆材料、航天防护涂层等抗辐照领域，为极端环境材料开发奠定理论基础。

        南科大电子系研究副教授赵骏磊为论文的第一作者，化梦媛和奥斯陆大学教授 Andrej Kuznetsov 为该论文的共同通讯作者。南科大为论文的第一单位。该研究得到了国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金以及深圳市基础研究专项自然科学基金的资助和支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.126101