武漢大學(xué)張召富教授聯(lián)合南方科技大學(xué)趙駿磊研究副教授近日通過機(jī)器學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)的分子動(dòng)力學(xué)（ML-MD）和密度泛函理論（DFT），從原子層面揭示了氧化鎵四個(gè)晶面 (100)、（010）、（001）、（-201）不同的輻照損傷缺陷演化機(jī)制。研究成果以“Orientation-dependent surface radiation damage in β-Ga₂O₃ explored by atomistic simulations”發(fā)表在國際期刊《Acta Materialia》上，為通過表面取向工程設(shè)計(jì)抗輻射 β-Ga₂O₃ 基器件提供了原子水平的理論指導(dǎo)。武漢大學(xué)博士生劉太巧為論文第一作者，武漢大學(xué)張召富教授和南方科技大學(xué)趙駿磊研究副教授為文章共同通訊作者。

1. 背景

β相氧化鎵(β-Ga₂O₃)具有約 4.9 eV 的超寬禁帶，高擊穿電場以及出色的抗輻射性能，使其能夠在惡劣的輻射環(huán)境中保持優(yōu)異的性能，在航空航天和核工業(yè)等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。由于氧化鎵晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜且具有顯著的各向異性，其表面缺陷的結(jié)構(gòu)與物理化學(xué)性質(zhì)會(huì)對(duì)電學(xué)性能產(chǎn)生顯著影響，進(jìn)而引發(fā)性能退化和可靠性問題。然而，目前對(duì)于不同晶面在抗輻射損傷方面的作用機(jī)制尚不清楚。

2. 主要內(nèi)容

這項(xiàng)研究通過對(duì)氧化鎵四個(gè)晶面(100)、（010）、（001）、（-201）在 173 K，300 K 和 500 K 下，使用分子動(dòng)力學(xué)模擬，分別進(jìn)行了每個(gè)晶面獨(dú)立模擬 10 次，共計(jì) 10×3×4 = 120 次獨(dú)立輻照損傷分子動(dòng)力學(xué)模擬，接著對(duì)每個(gè)晶面的兩個(gè)案例進(jìn)行了長達(dá) 5 ns 的輻照后退火模擬，以觀察初級(jí)輻照損傷機(jī)制在長時(shí)間下的演化情況。最后結(jié)合第一性原理計(jì)算，共同揭示了氧化鎵初級(jí)輻照損傷缺陷的穩(wěn)定性。

結(jié)果表明，在四個(gè)晶面上，鎵空位和氧間隙原子是主要的輻照損傷缺陷類型，同時(shí)伴隨大量反位缺陷 Ga_O 和少量 O_Ga 反位缺陷。氧化鎵不同表面的抗輻射性能表現(xiàn)出顯著的晶面依賴性，（100）、（001）和（-201）三個(gè)晶面輻照損傷主要集中在表層 40 Å 以內(nèi)；而由于（010）存在很強(qiáng)的溝道效應(yīng)，使得缺陷能夠深入滲透到材料內(nèi)部，分布深度可達(dá) 118 Å。經(jīng)過高溫 1000 K 和長達(dá) 5 ns 退火后，（010）面的缺陷得到顯著恢復(fù)，最終平衡狀態(tài)下僅留下氧空位這一主要缺陷類型，且其空間分布保持不變。相比之下，（100）、（001）和（-201）面的缺陷仍局限于表面附近，但比（010）面的缺陷更難恢復(fù)，且輻照損傷主導(dǎo)缺陷類型在退火后未發(fā)生改變。

3. 研究亮點(diǎn)

● 揭示了 β-Ga₂O₃ 實(shí)驗(yàn)上常用的四個(gè)晶面初級(jí)輻照損傷缺陷的顯著表面方向依賴性。

● 發(fā)現(xiàn)（010）表面存在明顯的溝道效應(yīng)，缺陷可深入滲透材料內(nèi)部，并在平衡態(tài)下形成高濃度的氧空位缺陷。

● 闡明了不同晶面輻照缺陷在穩(wěn)定性與恢復(fù)特性上的差異。

● 確定了反位缺陷 Ga_O 在輻照損傷中不可忽視的存在。

4. 總結(jié)

本研究利用基于機(jī)器學(xué)習(xí)勢(shì)函數(shù)的分子動(dòng)力學(xué)模擬，系統(tǒng)揭示了 β-Ga₂O₃（100）、（010）、（001）和（-201）晶面在輻照及后續(xù)退火過程中的缺陷動(dòng)力學(xué)演化規(guī)律。結(jié)合 DFT 計(jì)算，進(jìn)一步闡明了輻照誘導(dǎo)缺陷的穩(wěn)定性及其對(duì)載流子濃度的影響。結(jié)果顯示，（010）表面存在顯著的溝道效應(yīng)，缺陷可深入滲透至材料內(nèi)部，盡管總體缺陷數(shù)量相對(duì)較少，但在平衡態(tài)下氧空位濃度最高；而（100）、（001）和（-201）晶面的缺陷主要局限于表層區(qū)域，且恢復(fù)難度更大。在 1000 K 下退火 5 ns 的結(jié)果進(jìn)一步表明，這三類晶面的主導(dǎo)缺陷類型和輻照后的結(jié)果一致。此外，反位缺陷 Ga_O 被證實(shí)是 β-Ga₂O₃ 中輻照誘導(dǎo)缺陷的重要組成部分，不可忽視?？傮w而言，本研究揭示了 β-Ga₂O₃ 在輻照作用下表現(xiàn)出的明顯晶面方向依賴性，為通過晶面選擇與調(diào)控設(shè)計(jì)具備優(yōu)異抗輻射性能的 β-Ga₂O₃ 器件提供了原子尺度的新見解。