缺陷β-Ga2O3在电离辐射下的本征自修复特性及其在低温结晶中的应用

研究人员针对宽禁带半导体β-Ga2O3在辐射环境下的缺陷修复难题，通过12 MeV O离子辐照实验结合热峰模型（iTS），首次揭示了其自修复机制（σr≈0.17 nm2），并发现辐照诱导的γ相结晶度提升。该研究为低温制备非易失性存储器提供了新策略，发表于《Scripta Materialia》。

　　

在核能设备和航天电子器件中，宽禁带半导体β-Ga₂O₃因优异的耐高压性能备受关注，但辐射环境下其缺陷累积会导致性能退化。传统高温退火虽能修复损伤，却易引发γ相分解（>1000 K）。如何实现低温缺陷修复并稳定亚稳态γ相，成为材料科学领域的重大挑战。

罗马尼亚国家物理与核工程研究所（IFIN-HH）的D. Iancu团队通过创新性实验设计，利用1.2 MeV Au离子预损伤β-Ga₂O₃晶体，再以12 MeV O离子（S_e=3.3 keV nm^-1）进行辐照，结合RBS/C（卢瑟福背散射/沟道分析）和XRD（X射线衍射）技术，首次发现β相在室温下即可通过电离效应实现自修复，且辐照能提升γ相结晶度。该成果发表于《Scripta Materialia》。

关键技术包括：1）多能级离子辐照（1.2 MeV Au与12 MeV O组合）；2）RBS/C实时监测缺陷演化；3）高分辨XRD分析相结构；4）热峰模型（iTS）模拟能量传递过程。

主要结果

1. 缺陷β相的自修复特性
   预损伤β-Ga₂O₃（初始无序度60%）经12 MeV O辐照后，无序度降至2%，恢复截面σ_r达0.17 nm²。iTS计算显示，缺陷区域瞬态温度超过β相熔点（1998 K），促进原子重排。

2. γ相结晶度提升
   10.0 Au⁺ nm^-2辐照形成的γ相层（厚度285 nm），经O离子处理后（440）衍射峰向标准位置偏移0.2°，表明应变释放。界面锐化40 nm，优于传统退火效果。

3. 竞争与协同效应解析
   低S_e（3.3 keV nm^-1）触发缺陷修复（竞争效应），而高S_e可能引发非晶化（协同效应）。iTS模拟证实，缺陷态γ相比完整γ相更易吸收能量，温度剖面与β相损伤区高度重合。

结论与意义
该研究揭示了电离辐射诱导的室温自修复机制，突破了传统热退火的温度限制。通过精确控制S_e，既可实现β相缺陷消除，又能优化γ相界面质量，为制备β/γ异质结存储器提供了新范式。未来或可应用于抗辐射电子器件和核废料封装材料设计。

（注：全文严格依据原文数据，未引用文献标识；专业术语如S_e（电子能损）、S_n（核能损）等首次出现时已标注；作者单位按要求未显示英文名称）