【会员论文】JMST|武汉大学张召富教授团队：10 MeV电子辐照下β-Ga₂O₃的各向异性辐照响应和相变研究

        由武汉大学的研究团队在学术期刊Journal of Materials Science & Technology发表一篇名为Anisotropic irradiation response and phase transition of β-Ga₂O₃ under 10 MeV electron irradiation（10 MeV电子辐照下β-Ga₂O₃的各向异性辐照响应和相变）的文章。武汉大学博士生刘太巧和中国地质大学（武汉）邵天博士为论文第一作者，武汉大学集成电路学院刘胜院士团队张召富教授为论文通讯作者。

        β-Ga₂O₃作为超宽禁带半导体材料，因其具有高击穿场强、宽禁带宽度，在高功率电子器件、日盲紫外探测及极端环境电子学等领域展现出重要应用前景。随着其在航空航天、核工业及深空探测等强辐射环境中的潜在应用不断拓展，辐照条件下材料结构与性能的稳定性问题受到广泛关注。目前，关于β-Ga₂O₃电子辐照的研究主要集中于0.5–2.5 MeV能量电子辐照，相关结果普遍认为该能量范围内辐照主要引入点缺陷，从而导致材料电学与光学性能发生退化。然而，当电子能量进一步提升至10 MeV量级时，高能电子所引发的能量沉积与位移损伤行为将显著增强，其对应的缺陷形成机制及结构演化规律可能与低能电子辐照存在本质差异。尤其是在高剂量条件下，点缺陷的大量累积是否会诱导晶格重构与辐照诱导相变、不同晶面取向对辐照损伤的敏感性是否存在明显差异，以及材料在极端电子辐照环境下的损伤极限与稳定机制等关键科学问题，目前仍缺乏系统研究。

        本研究采用杭州镓仁半导体有限公司的β-Ga₂O₃ （100）、（010）、（001）和（-201）面样品，通过开展10 MeV电子辐照实验（注量分别为1 × 10¹⁷ cm^-2和5 × 10¹⁷ cm^-2），系统分析了四个晶面的结构、电子及光学性质的各向异性辐照响应行为。结合电子辐照俘获截面计算与匹配实验条件的机器学习分子动力学（ML-MD）模拟，进一步揭示了辐照诱导的亚稳态相变机制。结果表明，不同晶面在辐照作用下呈现出显著差异：（100）面由于GaO₄四面体结构坍塌，近表面区域结构发生严重退化，对应拉曼特征峰B_g⁽²⁾，A_g⁽⁸⁾和A_g⁽⁹⁾消失；(010）面则受沟道效应影响，电子散射减弱，点缺陷在体相内趋于分散式分布，导致XRD摇摆曲线半高宽显著增大。与此同时，各晶面均产生~690 nm的红外发光，并对本征蓝紫发光产生不同程度抑制，其中（001）面表现出最佳的综合辐照稳定性。此外，ML-MD结果显示，辐照产生的点缺陷可重组为少量弥散分布的γ相，最终亚稳态γ‑Ga₂O₃以内含物的形式存在于有缺陷的β-Ga₂O₃中。

        ·将电子辐照能量提升至10 MeV，系统研究了β-Ga₂O₃在极端高能条件下的结构响应与相变机制。

        ·系统对比了（100）、（010）、（001）和（-201）四个晶面的辐照响应，明确了不同晶向在结构耐受性与缺陷演化方面的显著差异。

        ·（010）晶面表现出明显的沟道效应，使高能电子更易深入材料内部，从而加剧体内辐照应力积累并导致晶体质量显著下降。

        ·结合机器学习分子动力学模拟，从原子尺度揭示了电子辐照可诱导β-Ga₂O₃向γ-Ga₂O₃相转变，但由于相变量较少，形成的γ相主要以缺陷的形式弥散分布于缺陷化β相基体之中。

        本研究结合10 MeV高能电子辐照实验、密度泛函理论（DFT）计算及ML-MD模拟，系统研究了β-Ga₂O₃在高能、高注量电子辐照条件下的缺陷形成机制及相结构演化行为。研究结果表明，β-Ga₂O₃在不同晶面上表现出显著的各向异性辐照响应特征。其中，（100）晶面对辐照诱导的晶格振动退化最为敏感，其典型特征表现为拉曼模式B_g⁽²⁾，A_g⁽⁸⁾和A_g⁽⁹⁾的消失。DFT计算结果进一步表明，（010）面沟道效应能够有效降低入射电子的散射效应，并在一定程度上晶格完整性，然而，晶格内部分散的点缺陷导致X射线摇摆曲线（XRC）半高宽由约42 arcsec增加至超过155 arcsec。相比之下，（001）晶面在结构稳定性以及电学、光学性能方面均表现出优异的抗电子辐照能力。在相同辐照能量条件下，ML-MD模拟结果表明，累积点缺陷能够进一步诱导局域结构重构，并形成具有γ-Ga₂O₃特征的局域相结构。然而，由于形成的γ-Ga₂O₃比例较少，XRD测试中未观察到明显的独立 γ 相衍射峰。因此，该γ相更可能以弥散分布的缺陷形式存在，并嵌入于高度缺陷化的β相基体之中。本研究不仅深化了对β-Ga₂O₃在高能电子辐照条件下缺陷演化与相变机制的认识，也为氧化镓材料在极端辐照环境中的性能调控与器件可靠性评估提供了重要理论依据和策略框架。

图1 (a) 四个辐照晶面（100），（010），（001）和（01）的示意图；(b-e) 四个晶面在辐照注量5 × 10¹⁷ cm^-2下的XRC半高宽对比；(f) （100）和（010）面在同样辐照注量下的拉曼光谱

图2 电子辐照前后β-Ga₂O₃不同晶面（100）、（010）、（001）及（-201）的带隙与光致发光（PL）特性对比。左列为在注量5 × 10¹⁷ cm^-2条件下获得的偏振(αhν)²–能量关系曲线。中列与右列分别展示了采用266 nm氙灯激发得到的不同注量下的室温PL光谱

图3 （a）沿x轴方向选取的代表性截面快照。（b）辐照后及退火状态（4 ns、8 ns 和10 ns）下的Ga–Ga局域熵的概率密度分布；（c）辐照及退火后相对于初始β相的Ga–Ga局域熵的概率密度差分布。虚线表示零参考基线

DOI: 

10.1016/j.jmst.2026.04.032