中子辐照氮掺杂6H-SiC的光谱学研究：缺陷形成机制与光学特性调控

本研究针对核用SiC材料在中子辐照下缺陷演化机制不明的关键问题，通过XRD、UV-Vis-NIR吸收谱和拉曼光谱等技术，系统分析了高氮掺杂(3.0×1019 cm-3)6H-SiC经1.27×1021 n/cm2辐照后的结构损伤与退火恢复过程，首次发现辐射介导对称性破缺诱导的光学旋转效应，为SiC基核探测器缺陷工程提供新见解。

　　

硅碳化物(SiC)作为第三代半导体材料的代表，在核反应堆包壳材料、太空探测器等极端环境中展现出不可替代的优势。然而，当这种材料遭遇中子辐照时，其晶格内部会产生复杂的缺陷网络——从简单的Frenkel缺陷对(空位-间隙原子对)到复杂的N_CV_Si(氮替代碳位点与硅空位复合体)，这些微观结构变化会显著改变材料的导热性、机械强度和光学特性。尤其令人困扰的是，目前对6H-SiC这种具有P63mc空间群非对称结构的多型体，其辐照损伤恢复机制仍存在诸多未解之谜。

天津某高校联合团队在《Journal of Luminescence》发表的研究，通过多尺度表征手段揭示了氮掺杂6H-SiC在中子辐照下的四阶段恢复动力学。研究采用X射线衍射(XRD)追踪晶格畸变，紫外-可见-近红外(UV-Vis-NIR)吸收谱监测带隙演变，结合拉曼光谱定量分析化学无序度(χ)，首次报道了辐射诱导光学旋转这一新现象。

关键技术包括：从北京天科合达半导体公司获取的高氮掺杂(3.0×10¹⁹ cm^-3)6H-SiC晶片，经1.27×10²¹ n/cm²中子辐照后，采用阶梯式退火(室温至1650°C)处理；利用第一性原理计算模拟N_CV_Si缺陷能级；通过偏振光测量验证光学活性缺陷的对称性破缺效应。

【结构演化XRD分析】
XRD数据显示，辐照导致(104)晶面衍射峰向低角度偏移0.12°，表明晶格膨胀率达0.24%。当退火温度升至800°C时，半高宽(FWHM)突降42%，对应Frenkel缺陷的复合阶段；而1650°C退火后仍残留0.03°的角度偏移，提示永久性损伤的存在。

【光学吸收特性】
UV-Vis谱中315nm处的特征峰被指认为N_CV_Si缺陷的跃迁所致。值得注意的是，2.8eV处的吸收边红移与第一性原理计算的带隙收缩(0.35eV)高度吻合，证实了氮掺杂加剧辐照诱导的能带重整化效应。

【拉曼光谱解析】
在退火过程中观察到四个特征温度节点：400°C时TO模半高宽收窄对应碳间隙原子迁移；800°C区间的LO模强度恢复与硅空位复合相关；1200°C以上出现的1380cm^-1新峰被归因于C-C键重构，其强度与化学无序度(χ=0.18)呈正相关。

【光学旋转发现】
最突破性的发现在于，辐照样品在632.8nm激光下表现出0.35°/mm的旋光性，这种本征非手性材料的光学活性源于辐射诱导的局域对称性破缺，为开发新型光量子调控器件提供了可能。

该研究不仅建立了6H-SiC作为多型体辐射损伤研究的基准体系，更揭示了氮掺杂浓度与缺陷演化的非线性关系。发现的四阶段恢复动力学(点缺陷迁移→Frenkel对复合→空位团簇解离→残余损伤稳定化)为核用SiC器件的寿命预测提供了理论框架。特别是N_CV_Si构型在光致发光中的主导作用，将推动基于缺陷工程的量子光源发展。研究团队特别指出，1650°C退火后仍存在的0.02Ω·cm电阻率偏移，暗示着高温核环境中需重新评估SiC材料的载流子输运模型。这些发现对发展抗辐射SiC基核探测器、太空太阳能电池等器件具有重要指导价值。