由挪威奧斯陸大學的研究團隊在學術期刊 nature communications 發布了一篇名為 Phase glides and self-organization of atomically abrupt interfaces out of stochastic disorder in α-Ga₂O₃（α-Ga₂O₃ 中隨機無序的相滑行和原子突變界面的自組織）的文章。

1. 項目支持

M-ERA.NET 計劃得到了 GOFIB 項目（由挪威研究理事會管理，挪威項目編號為 337627，芬蘭項目編號為 352518）的資金支持。此外，挪威研究理事會在 FRIPRO 計劃項目編號 351033 框架下資助的 DIOGO 項目也提供了額外支持。實驗基礎設施由挪威微米和納米制造設施 NorFab（挪威研究理事會項目編號 295864）和挪威透射電子顯微鏡中心 NORTEM（挪威研究理事會項目編號 197405）提供。J.Z. 感謝中國國家自然科學基金資助項目 62304097、廣東省基礎與應用基礎研究基金資助項目 2023A1515012048、深圳市基礎研究計劃資助項目 JCYJ20230807093609019 和 JCYJ20240813094508011。計算資源由芬蘭科學信息技術中心（CSC）和南方科技大學計算科學與工程中心提供。該論文還得到了韓國陶瓷工程技術研究院（KICET）2024年資助的“戰略研發計劃”（KPP23004-0-02）的支持。挪威研究理事會項目編號為322382的INTPART計劃以及挪威高等教育和技能局項目編號為UTF-2021/10210的UTFORSK計劃也為國際合作提供了支持。

2. 背景

氧化鎵（Ga₂O₃）因其多形體（如β、γ相）的獨特性質（如高耐輻射性）在基礎物理和電子器件領域備受關注。此前研究主要集中在熱力學穩定的 β-Ga₂O₃ 上，其輻照下可通過無序誘導轉變為 γ 相，但其他多形體（如亞穩態的 α-Ga₂O₃）的輻照行為尚不明確。

探索 α-Ga₂O₃ 在輻照下是否發生無序誘導相變，揭示其與 β 相不同的相變機制，并解釋實驗中觀察到的原子級陡峭 α/γ 界面自組織現象。

3. 主要內容

在 γ 相氧化鎵中，無序誘導有序化行為以及其極高的抗輻照性能，近年來已成為基礎物理與電子器件應用交叉領域中的重要發現。值得注意的是，迄今為止此類研究大多采用熱力學穩定的 β 相作為初始樣品。本文從亞穩態的 α 相開始，研究上述現象，并揭示體系中全新的轉變趨勢。研究人員指出，與 β → γ 相變中主要涉及無序誘導的局部重排不同，α 相中的氧子晶格呈現六方密堆結構（HCP），因此 α → γ 相變不僅需要氧子晶格的重構，還需鎵子晶格發生顯著的結構重排。進一步結合理論預測結果，發現 α → γ 的相變過程需積累較大的拉伸應變以激發原本難以發生的晶格滑移行為。因此，將實驗中觀測到的 α → γ 相變趨勢解釋為一種同時受無序與應變驅動的協同演化機制。最后展示了在隨機無序背景下，α/γ 界面能夠自發實現原子級突變式排列，體現出高度有序的自組織行為，揭示了 α-Ga₂O₃ 體系中相變過程的復雜性與潛在調控路徑。

4. 實驗細節

樣品: 通過 HVPE 法在藍寶石襯底上生長了約 1 μm 厚的 α-Ga₂O₃ 薄膜。

輻照: 在室溫下，使用 400 keV 的 Ni? 離子進行注入，劑量范圍從 1x10¹⁵ 到 1x10¹⁷ ions/cm²，離子束流恒定。同時進行了 1.2 MeV Au? 離子的控制實驗以排除注入離子的化學效應。注入角度偏離樣品法線 7° 以減少溝道效應。

損傷量化: 使用 SRIM 程序模擬計算原子離位損傷，Ni 離子注入的主要缺陷產生峰值深度約為 105 nm。

模擬計算:

SRIM 模擬計算初始損傷分布和 dpa 值。

機器學習驅動的分子動力學 (ML-MD): 模擬 α/γ 界面的原子構型和動態演化過程，解釋界面自組織銳化機制。

結合級聯碰撞模擬和 NPT 系綜弛豫（帶各向異性壓強控制）: 研究輻照過程中應變的積累和各向異性膨脹。

5. 創新點

首次系統研究了 α-Ga₂O₃ 的無序誘導相變，揭示了與 β 相不同的相變路徑和機理。

明確了“拉伸應變”在 α 到 γ 相變中的關鍵作用，強調了該轉變需要 O 亞晶格和 Ga 亞晶格同時重排，這是與 β 到 γ 相變的本質區別。

提出了具體的相變機制：輻照產生的 Ga 缺陷（主要是占據八面體間隙位置）積累導致沿 c 軸的各向異性膨脹應變，該應變促進了 O 亞晶格密堆積層的滑移，從而完成結構轉變。

實驗和模擬證實了在隨機無序過程中可以自組織形成原子級陡峭的 α/γ 多晶型界面。

發現 α-Ga₂O₃ 相比于 β-Ga₂O₃，需要更高的輻照劑量（dpa）才能觸發向 γ 相的轉變，表明 α 相本身在發生相變前具有更高的輻照穩定性。

6. 結論

γ 相氧化鎵中所展現出的無序誘導有序現象以及前所未有的高抗輻照能力，是近年來基礎物理與電子器件應用交叉領域中的一項重要突破。值得強調的是，在該研究之前，已有文獻中的相關實驗數據均是以熱力學穩定的 β 相為初始樣品獲取的。從亞穩態的 α 相開始，系統性地研究了這一現象，并揭示了體系中截然不同的新趨勢。研究人員提出，與 β → γ 無序誘導轉變不同，α 相中的氧子晶格為六方密堆（HCP）結構，因此 α → γ 相變過程中，不僅氧子晶格需要重構，鎵子晶格同樣必須發生顯著的結構重排。此外，與理論預測一致，該相變還需積累相當程度的拉伸應變，以激發原本難以實現的晶格滑移行為。因此，將實驗中觀測到的趨勢解釋為無序與應變共同驅動的協同過程。最令人驚奇的是，還發現了 α/γ 相界面竟能在隨機無序中自發形成原子級突變的有序結構。這一結果不僅豐富了人們對 Ga₂O₃ 多晶型相行為的理解，也為類多晶型現象在其他材料體系中的推廣與研究提供了新路徑，具有重要的理論意義與潛在應用價值。

7. 圖文示例

圖 1：不同 Ga₂O₃ 多晶體之間的結構關系。

圖 2：α-Ga₂O₃ 中的相變與 dpa 的函數關系。

DOI：

doi.org/10.1038/s41467-025-58516-9

本文轉發自《亞洲氧化鎵聯盟》訂閱號