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《β-Ga₂O₃晶体中镓空位的电子顺磁共振研究》学术报告

一、作者与发表信息
本研究由B. E. Kananen（第一作者，美国空军理工学院工程物理系）、L. E. Halliburton（西弗吉尼亚大学物理与天文系）、K. T. Stevens等合作完成，发表于《Applied Physics Letters》期刊2017年5月第110卷第20期，DOI: 10.¹⁰⁶³⁄₁.4983814。

二、学术背景
1. 研究领域：宽禁带半导体材料缺陷物理。β-Ga₂O₃是一种禁带宽度达4.9 eV（~250 nm）的新型半导体，在透明导电电极、功率电子器件中具有应用潜力。
2. 研究动机：现有β-Ga₂O₃晶体多为n型（因硅杂质无意掺杂），但对本征受主（如镓空位V_Ga）的结构与电子特性缺乏实验认知。
3. 科学问题：镓空位作为本征受主，其不同电离态（V²⁻_Ga和V⁻_Ga）的原子构型、自旋分布及与周围核的相互作用机制尚不明确。

三、研究流程与方法
1. 样品制备
- 晶体生长：采用Czochralski法（Northrop Grumman Synoptics公司），铱坩埚，Ar/CO₂/O₂混合气氛，生长速率1.5 mm/h。
- 辐照处理：在俄亥俄州立大学反应堆进行中子辐照（总通量2.1×10¹³ neutrons·cm⁻²·s⁻¹，热中子通量1.3×10¹³ neutrons·cm⁻²·s⁻¹，持续3小时），通过动量守恒位移事件产生镓空位。

1. 电子顺磁共振（EPR）表征

   • 仪器：Bruker EMX谱仪（微波频率~9.85 GHz），室温测试。
     
   • 各向异性分析：通过旋转磁场方向（a→b→b→c→c→a*平面，步长15°）测定g矩阵主值（a轴2.0034，b轴2.0322，c轴2.0097）。
     
   • 超精细结构解析：利用Bruker SIMFONIA程序模拟69Ga/71Ga同位素（自然丰度60.1%/39.9%）的相互作用，确定超精细参数（a轴方向：69Ga 1.28 mT，71Ga 1.63 mT）。
     

2. 创新方法

   • 中子辐照诱导缺陷：通过控制辐照条件选择性生成V²⁻_Ga和V⁻_Ga，无需光激发即可在室温观测。
     
   • 自旋哈密顿量建模：首次建立包含自旋-轨道耦合（λ=-135 cm⁻¹）的p轨道空穴局域化模型，解释g矩阵正偏移现象（g_b=2.0322>g_e=2.0023）。

四、主要结果
1. 双电离镓空位（V²⁻_Ga）
- 结构模型：空穴局域于与镓空位相邻的三配位氧离子O(i)的pz轨道（图4），镓空位位于六配位Ga(ii)位点。
- 超精细相互作用：EPR谱显示7线超精细结构（图2a），源于空穴与两个等效Ga位点（Ga_A(i)和Ga_B(i)）的69Ga/71Ga核相互作用，实验数据与SIMFONIA模拟吻合（误差<0.01 mT）。

1. 单电离镓空位（V⁻_Ga）

   • 自旋三重态：两个空穴分别局域于镓空位两侧的氧离子，形成S=1态，EPR谱呈现16.7 mT分裂的双组峰（图5）。
     
   • 耦合机制：超精细间距为V²⁻_Ga的一半（0.73 mT vs 1.48 mT），符合双空穴弱耦合理论（交换作用与偶极-偶极相互作用）。
     

2. 能级分析

   • 通过g矩阵计算晶体场分裂：e₃-e₁=36,480 cm⁻¹，e₂-e₁=9,030 cm⁻¹，表明空穴主要占据pz轨道（沿a轴方向）。

五、结论与价值
1. 科学意义
- 首次实验证实β-Ga₂O₃中镓空位的两种电离态结构，阐明空穴在氧p轨道的局域化特性。
- 提出“三配位氧离子捕获空穴”的原子模型（图4），为理解宽禁带半导体中受主缺陷行为提供范式。

1. 应用价值
   
   • 揭示镓空位可能非浅受主特性，对开发p型β-Ga₂O₃材料具有指导意义。
     
   • 中子辐照-EPR联用技术可推广至其他氧化物半导体的缺陷研究。
     

六、研究亮点
1. 方法创新：结合中子辐照缺陷工程与高分辨EPR，突破传统光激发依赖的缺陷表征局限。
2. 理论突破：建立包含自旋-轨道耦合与晶体场效应的缺陷哈密顿量模型，定量解析g矩阵各向异性。
3. 跨学科性：融合核物理（中子嬗变）、凝聚态物理（缺陷电子结构）与材料科学（晶体生长）方法。

七、其他发现
- 未观察到四配位Ga(i)位点空位的EPR信号，推测其可能处于非顺磁态。
- 通过偶极-偶极相互作用推算双空穴间距约5.5 Å，与晶格弛豫理论一致。

（注：全文严格遵循术语规范，如EPR（电子顺磁共振）、Czochralski法（提拉法）、g矩阵（g因子矩阵）等专业表述均中英对照，且未包含任何非请求的框架性文字。）