突破认知：α-Ga2O3中原子级突变界面从随机无序到自组织的相变滑移与机制探索

为探究 α-Ga2O3辐射现象及 α-to-γ 相变条件，研究人员开展相关研究。结果发现 α-to-γ 相变需 Ga 和 O 亚晶格结构重排及拉伸应变积累，且 α/γ 界面能自组织形成。这拓展了 Ga2O3多晶型研究，为相关材料研究铺路。

　　在材料科学的前沿领域，氧化镓（Ga₂O₃）凭借独特性能备受瞩目。此前研究多聚焦于其热力学稳定的 β 相，发现 β-Ga₂O₃在辐照下会转变为 γ-Ga₂O₃，且具有无序诱导有序和高辐射耐受性的特性 ，在电子应用领域展现出巨大潜力。然而，对于亚稳的 α-Ga₂O₃，人们对其辐射现象的了解十分有限。虽然有研究表明 α 相在核阻止本领最大值范围内比 β-Ga₂O₃更具辐射抗性，但关于 α-Ga₂O₃的无序诱导多态性及其对器件适用性的影响尚不明确。而且，α-Ga₂O₃相变机制与 β 相的差异也亟待探索，这些未知限制了氧化镓在更多领域的深入应用。

为了填补这些知识空白，来自挪威奥斯陆大学、中国南方科技大学、芬兰赫尔辛基大学、韩国陶瓷工程与技术研究所等机构的研究人员合作开展了一项系统研究。他们致力于探究 α-Ga₂O₃中的辐射现象，明确引发 α-to-γ 多晶型转变的条件，最终揭示了 α-Ga₂O₃相变的独特机制，并发现了原子级突变的 α/γ 界面能从随机无序中自组织形成，这一成果发表在《Nature Communications》上。

研究人员采用了多种关键技术方法。实验方面，使用卤化物气相外延法在蓝宝石衬底上生长约 1μm 厚的菱面体 α-Ga₂O₃薄膜，然后用 400keV 的⁵⁸Ni⁺离子在室温下对样品进行不同剂量的注入，同时用 1.2MeV Au 离子和 800keV Ni 离子对控制样品进行注入。利用卢瑟福背散射沟道谱（RBS/C）、X 射线衍射（XRD）和扫描透射电子显微镜（STEM）对注入后的样品进行结构表征。模拟方面，运用 Stopping and Range of Ions in Matter（SRIM）代码模拟离子与靶材料的相互作用，计算初级缺陷产生剖面和位移每原子（dpa）值；使用 LAMMPS 软件包进行机器学习驱动的分子动力学（ML-MD）模拟，研究 α/γ 界面的动态演化 。

相变过程及结构变化

研究人员通过 RBS/C 和 XRD 等技术对 α-Ga₂O₃样品在不同 dpa 下的结晶度进行系统测量。在低 dpa（≤4 dpa）时，RBS/C 光谱显示出表面无序峰，对应约 6nm 厚的非晶层，同时 XRD 扫描表明此时有拉伸应变积累。在 20≤dpa≤120 范围内，表面无序峰变宽并达到随机水平，体峰在较低无序水平饱和，此阶段应变释放，但 XRD 光谱变化不大。当 dpa 达到 140 时，RBS/C 强度在表面非晶层后增加，出现新的衍射峰，被确定为 γ-Ga₂O₃（222）反射，随着 dpa 进一步增加，新形成的 γ 相区域结晶度提高，γ 层向晶体内部和表面扩展，非晶层因 γ 相扩展而收缩 。

界面特性

通过高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）分析发现，由随机无序形成的非晶 /α 相和非晶 /γ 相界面并不陡峭，甚至非晶 /γ 相界面相当粗糙。然而，令人惊讶的是，同样由随机无序形成的 γ/α 界面却是原子级尖锐的。研究人员通过 ML-MD 模拟揭示了该界面的原子构型和动态演化过程，初始 γ/α 界面过渡区域存在能量不利的错配，经过一系列原子重排和平面滑移，最终形成原子级尖锐且晶格对齐的界面 。

相变机制

与 β-to-γ 相变不同，α-to-γ 相变中 α 相的 O 亚晶格为六方密堆积（hcp）结构，因此相变需要 Ga 和 O 亚晶格都进行显著的结构重排。从能量角度考虑，α-to-γ 相变需要积累大量拉伸应变来启动晶格滑移。研究人员对比 α 和 γ-Ga₂O₃的 O 亚晶格参数发现，α 相转变为 γ 相时，密堆积层间距离会膨胀约 5%，且主要是沿 z 轴方向的各向异性膨胀。进一步研究表明，Ga 缺陷的积累会在氧密堆积平面间产生应力，导致晶格沿 z 轴方向膨胀，当应力积累到一定程度，晶面滑移发生，从而实现 α 到 γ 的相变 。

研究结论表明，α-Ga₂O₃的 α-to-γ 相变机制与 β-to-γ 相变有显著差异，该相变需要结构重排和拉伸应变积累。原子级突变的 α/γ 界面能从随机无序中自组织形成，这一现象打破了人们对无序体系的常规认知。这一研究成果拓宽了科研人员对 Ga₂O₃多晶型的理解，为探索其他材料的类似多态性现象提供了重要参考，有望推动氧化镓及相关材料在电子器件、辐射防护等领域的进一步发展，对材料科学的基础研究和实际应用都具有重要意义。