揭示β-Ga?O?中的Bi掺杂效应：晶格工程、能带杂化作用以及紫外光响应特性的调控

《Journal of Alloys and Compounds》：Unveiling Bi doping effect in β-Ga 2O 3: lattice engineering, band hybridization, and ultraviolet photoresponse tailoring

本研究通过离子注入和计算模拟，系统探究了Bi掺杂对β-Ga2O3晶体结构及能带的影响，发现Bi占据八面体Ga位，诱导晶格畸变并形成子带隙吸收。

　　

王文|王婷婷|李云|Mohd Saif Shaikh|René Heller|Ulrich Kentsch|黄一佳|朱建奇|田明阳|李玲|刘凯|周胜强|王茂

四川省四川省 normal 大学微纳光电材料与器件重点实验室，中国成都 610101

部分内容摘录

实验方法

采用 7° 的入射角，将 Bi 离子植入块状单晶 β-Ga₂O₃（未掺杂，厚度约为 600 μm）中，以减少沟道效应。离子注入能量为 300 keV，注入剂量分别为 4.00 × 10¹⁴ cm^-2、1.34 × 10¹⁵ cm^-2 和 2.7 × 10¹⁵ cm^-2，相应的离子深度分布为约 60 nm，峰值浓度分别为 1.13 × 10²⁰ cm^-3（0.12%）、3.85 × 10²⁰ cm^-3（0.41%）和 7.71 × 10²⁰ cm^-3（0.82%）（见图 1(a) 和支持信息中的表 S1）

结构特性

图 1(a) 显示了在三种不同注入剂量下，Bi 离子注入块状 β-Ga₂O₃ 的 SRIM [42] 仿真结果，对应的峰值掺杂浓度分别为 0.12%、0.41% 和 0.82%。需要注意的是，这些仿真仅提供了注入剖面的初步估计，用于指导和设计注入参数的选择。为了获得掺杂浓度和深度分布的定量实验数据，进行了 RBS 分析

晶体结构与稳定性

为了阐明通过 X 射线衍射（XRD）和拉曼光谱观察到的 Bi 诱导的晶格膨胀的微观结构原因，系统地计算了 Bi 掺杂 β-Ga₂O₃ 的形成能。β-Ga₂O₃:Bi 结构基于传统晶胞构建，其中 β-Ga₂O₃ 中 Ga1 和 Ga2 晶格位点上的 Bi 替代物分别表示为 Bi_Ga1 和 Bi_Ga2。考虑到晶胞结构的对称性，存在几种不同的间隙掺杂方式

结论

总之，我们通过结合实验和计算方法，系统研究了 β-Ga₂O₃ 中重 Bi 掺杂的影响。我们的研究在该领域取得了几项重要进展：首先，Bi 优先占据八面体 Ga 位点，导致 [GaO₆] 八面体和 [GaO₄] 四面体发生拉伸应变和协同畸变；其次，O-2p 和 Bi-6s 轨道的杂化在能隙内形成了导带，使得亚带吸收成为可能。

CRediT 作者贡献声明

Mohd Saif Shaikh： 形式分析。Yun Li： 可视化、研究。Ulrich Kentsch： 资源提供。René Heller： 资源提供、形式分析。WANG Mao： 文章撰写——审稿与编辑、研究、概念构思。Tingting Wang： 方法论、研究、形式分析。Shengqiang Zhou： 监督、概念构思。Wen Wang： 文章撰写——初稿、研究、形式分析。Ke Liu： 监督。Jianqi Zhu： 方法论、数据整理。Yijia Huang： 可视化。Ling Li： 文章撰写——

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢亥姆霍兹-德累斯顿-罗森多夫中心（HZDR）的离子束中心（IBC）进行了离子注入实验。部分研究工作在亥姆霍兹协会成员机构 Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf e. V. 的 ELBE 设施完成。我们感谢该设施工作人员的帮助。本工作得到了中国国家自然科学基金（NSFC，项目编号 12205212）和四川省自然科学基金（NSFSC）的资助