【国际论文】缺陷β-Ga₂O₃在电离辐射作用下具有自愈合的固有特性

        由罗马尼亚霍里亚·胡鲁比国家物理和核工程研究所的研究团队在学术期刊 Scripta Materialia 发布了一篇名为 Intrinsic property of defective β-Ga₂O₃ to self-heal under ionizing irradiation（缺陷 β-Ga₂O₃ 在电离辐射作用下具有自愈合的固有特性）的文章。

        由于多种由无序引起的有序路径（多晶型转变），例如 β- 到 γ 相变或 α- 到 γ 相变，氧化镓（Ga₂O₃）已成为多晶型材料类别中一个有前景的新成员。关于辐照诱导结构（即γ-Ga₂O₃）在随后的重离子辐照下演化和稳定性的研究表明，随着离子注量的增加，γ-Ga₂O₃ 保持其长程周期性，这与其他多晶型材料的行为相反。此外，通过等时退火实验已证实了此类辐照转化所得 γ-Ga₂O₃ 结构的热稳定性。这些研究表明，γ-Ga₂O₃ 结构的结晶度随温度升高至 1000 K 而提高；超过此温度，γ-Ga₂O₃ 结构开始分解。另一方面，对于转化后的 γ-Ga₂O₃ 多晶型结构对随后的高电离辐照（电子能量沉积 - Se）的响应，则鲜有关注。

        本研究考察了在 300 K 电离辐射下，有缺陷的 β-Ga₂O₃ 和经辐照转化的 γ-Ga₂O₃ 层中的损伤演化和相稳定性。通过探索 β-Ga₂O₃ 中的非热非平衡过程，成功地识别出一种自修复机制，该机制能够实现缺陷恢复，其恢复截面约为 0.17 nm²。值得注意的是，本研究进一步表明，经辐照转化的 γ-Ga₂O₃ 层的结晶度在电离辐射下有所改善。更重要的是，X 射线衍射分析显示，高应变的 γ 相转变为高结晶结构而没有薄膜崩解，这与 1000 K 等时退火的报道结果形成对比。非弹性热峰计算为能量转移到电子在重新排列有缺陷的 β-Ga₂O₃ 和 γ-Ga₂O₃ 的局部原子排列中的重要影响提供了见解。这种行为为低温结晶提供了一条途径，为制造超高速非易失性存储器件提供了有前景的策略。

        通过探索高电离辐射与有缺陷的 β-Ga₂O₃  以及辐照诱导的 γ-Ga₂O₃ 在室温下的相互作用，揭示了电离驱动的非热过程促进了这两种相的结构恢复。值得注意的是，有缺陷的 β-Ga₂O₃ 在电离辐射下表现出自修复特性，其 σ_r 约为 0.17 nm²。更具体地说，结果表明，仅 3.3 keV nm^-1 的能量从离子转移到电子就足以恢复预先存在的缺陷（即约 60% 的随机或无定形结构），并在 300 K 下显著恢复原始的 β-Ga₂O₃ 晶体结构。重要的是，将相同的低 S_e 值传递给电子也足以将应变/缺陷的 γ 相转变为高结晶结构。该区域结晶度的提高伴随着 β/γ 界面锐化。原子级锐化的界面使得超高速非易失性存储器件的制造成为可能。iTS 计算揭示了能量转移在所发现的自修复机制中对电子的重要影响。这些结果表明，电离诱导退火可以在低温下稳定亚稳态多晶型相，为利用受控辐照来设计宽带隙半导体中的缺陷态和相稳定性以用于先进器件应用提供了新的见解。

图1. (a) 在300 K下，用12 MeV O离子按所示注量进行连续辐照时，部分受损（有缺陷）的β-Ga₂O₃（f₀ ∼ 0.6）中相对 Ga 无序度的演化曲线。同时叠加了穿过预先存在的损伤峰的 Se 曲线以及0.3 Au⁺ nm^-2对应的 dpa 分布（分别见虚线和实线）。(b) 随 12 MeV 氧离子注量增加，归一化的无序度恢复（N/N₀）变化情况。线表示损伤峰处的无序度恢复曲线（N/N₀）。

图2. (a) 相对 Ga 无序度分布和 (b) 选γ/β-Ga₂O₃ 双层膜在接受不同注量（图例所示）12 MeV 氧离子辐照前后的 XRD θ–2θ 扫描实验曲线。

DOI：

doi.org/10.1016/j.scriptamat.2025.116858