合金单晶中的钪元素占据情况及其独特的扩展缺陷形成机制

《Physical Review Materials》：Scandium occupancy and unique extended defect formation in alloyed single crystals

　　已经确定了一系列合金化元素，用于调整β-氧化镓（β-Ga2O3）的电子性质，尤其是其带隙。钪被认为是一个有前景的合金化候选元素，但为了进一步开发，需要更深入地了解其对β-Ga2O3的电子性能、结构以及缺陷行为的影响。本研究采用Czochralski制备方法生长了(100)方向的β-(Sc0.06Ga0.94)2O3晶体，并通过原子分辨率扫描电子显微镜、单色电子能量损失光谱和第一性原理计算对其进行了分析。实验结果表明，当加入10摩尔%的钪时，钪会优先占据八面体的镓位点，使材料的带隙从4.8电子伏特增加到4.92电子伏特。此外，研究发现钪的掺杂还会在β-(Sc0.06Ga0.94)2O3材料中产生独特的扩展缺陷，这些缺陷既存在于本征态中，也存在于机械变形后的样品中。在原始生长的晶体中发现的一种独特平面缺陷是由一系列紧密排列的(100)取向堆垛错位形成的，这种堆垛错位产生了特殊的原子投影。为了研究本征缺陷的结构，对晶体进行了机械变形处理，结果发现堆垛错位内的原子排列受到局部应变的影响显著，我们将其称为“受应变影响的堆垛错位”。在原始生长的晶体中并未观察到大量点缺陷或位错的形成。这些结果揭示了在合金化过程中，β-Ga2O3体系中可能形成诸如多个紧密相邻的堆垛错位之类的独特扩展缺陷。这些发现为β-(ScxGa1-x)2O3合金提供了重要的见解，表明这类合金有望制备出具有多种电子和结构特性的基板，从而推动β-Ga2O3在下一代功率半导体应用中的进一步发展。