北京大学物理学院技术物理系付恩刚课题组利用重离子加速器产生辐照损伤，通过透射电子显微镜-电子能量损失谱（STEM-EELS）技术，首次揭示了单斜晶系低对称晶体β-Ga2O3（SpaceGroup: C2/m）在重离子辐照模拟的极端环境下，晶体产生面内择优性倾转的原子尺度损伤机制与声子散射退极化行为[1]，直接关联了面内倾转界面（Ga原子空位链）与晶体带隙缩窄的定量关系。相关成果以“β-Ga2O3电子结构与纳米尺度晶体倾转诱导缺陷的关联性研究” (Correlating the electronic structures ofβ-Ga2O3to its crystal tilts induced defects at nanoscale)在国际知名学术期刊《今日材料：物理》（Materials Today Physics）上在线发表。
极端环境（太空环境、聚变堆、粒子加速器等强辐射环境）下高能粒子轰击导致材料内部产生缺陷，造成宽禁带半导体材料损伤与性能退化是制约高功率半导体、紫外光电探测器等在极端环境下性能、稳定性和服役寿命的重要挑战之一。原子尺度上理解极端环境下半导体材料的微观结构损伤与物性演变机制对于开发极端服役环境下宽禁带半导体器件具有重要科学意义和应用价值。
低对称晶体材料（无高于二次对称轴且二次对称轴/面小于等于一个）具有受损条件下内禀面内倾转择优取向特性，以此实现晶体受激的能量释放与应力驰豫。低对称宽禁带半导体β-Ga2O3由于晶格内禀低对称特性产生的面内晶粒择优倾转是其具有抗辐照性能与高击穿场强的主要原因。因此理解其晶格面内倾转的原子尺度结构与纳米尺度电子结构带隙特性对于进一步提升其在极端环境下的应用潜能具有重要意义。由于常规电镜技术无法同时实现原子尺度的结构演变观测和电子结构带隙的谱学测量，因此实现原子尺度受损机制与电子结构变化依旧面临巨大挑战。
针对以上关键科学问题与应用需求，付恩刚团队利用北京大学NEC 2×1.7 MV串列静电加速器设计重离子辐照实验，在低对称晶体β-Ga2O3中定量引入面内倾转缺陷，并通过多轴X射线衍射技术实现体相结构晶粒面内倾转取向与面内晶格应力的定量验证。通过利用扫描透射电子显微镜（STEM）观测到单斜晶体β-Ga2O3中由不同配位环境Ga空位链组成的(1 0 0)面内倾转界面的原子级结构，并通过高能量分辨电子能量损失谱学联用技术（STEM-EELS）验证了倾转边界上电子结构带隙的晶向差异性收缩现象[2]。结合第一性原理计算论证了带隙的取向性收缩与晶格受损面内倾转导致的声子结构退极化现象的关联性，揭示了受损低对称晶体材料内部载流子迁移限制由本征极性光学支声子散射（Polarized Optical PhononScattering）向电离氧原子散射（Ionized Oxygen atoms Scattering）的转变本质。
图1.低对称晶体β-Ga2O3面内倾转界面的透射电子显微成像及电子结构带隙缩窄谱学研究
该工作获得第十九届荷电粒子源粒子束学术会议（CPSB19）“优秀青年论文奖”（Best Paper Award for Young Scientist），并入选美国化学会纳米研讨会（ACSNanoSummit）Poster Session.
北京大学物理学院技术物理系2022级博士生韦祎为本文第一作者，北京大学物理学院技术物理系付恩刚教授、电子显微镜实验室杜进隆高级工程师和国家博物馆赵娜博士为论文共同通讯作者。合作者还包括北京大学材料科学与工程学院2022级博士生张滋长（第一性原理计算）、技术物理系徐川高级工程师（重离子辐照损伤实验）、电子显微镜实验室王涛高级工程师。该工作得到了北京市自然科学基金、国家自然科学基金、北京大学核技术应用实验室的支持。
论文原文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542529324001949?via%3Dihub
参考文献：
[1] M. Schubert et al., Anisotropy, phonon modes, and free charge carrier parameters in monoclinic β-gallium oxide single crystals. Physical Review B 93 125209, (2016).
[2] B. R. a. L. M. Brown, Direct and indirect transitions in the region of the band gap using electron-energy-loss spectroscopy. Physical Review B5810326, (1998).
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