武汉大学王建波&郑赫教授：室温下βGa2O3纳米柱的脆韧转变研究

β?Ga₂O₃的力学性能关系到相关电子器件的制造、封装以及应用，然而目前关于β?Ga₂O₃单晶的力学变形机制研究还相对匮乏。本文研究了(100) β?Ga₂O₃单晶在压应力作用下的力学行为，发现其极易沿着 (100) B面脆断，并计算得到该材料的断裂应力范围为314.1 ~ 615.1 MPa。进一步揭示了不同长径比、不同直径对β?Ga₂O₃纳米柱力学变形行为的影响，实验结果表明：当长径比 > 2时，β?Ga₂O₃ 纳米柱在不同直径下均沿着 (100) B面发生脆断；当长径比< 2且直径＜200 nm时，(100) β?Ga₂O₃ 发生脆性向塑性的转变，表现为先沿着 (201) 面发生滑移，之后沿着 (100) B 面断裂。最后，讨论了晶体学取向对于小尺寸β?Ga₂O₃塑性的影响，研究结果为理解β?Ga₂O₃的力学性能提供借鉴。

β?Ga₂O₃是一种极具发展前景的宽禁带半导体，在电力电子、气体传感器、太阳盲紫外光电探测器、光催化等领域应用前景广阔，近年来受到广泛的关注。由于单晶β?Ga₂O₃的低生长成本，相比其他重要的宽禁带半导体材料（例如：GaN, SiC等），其在制造光电和电力电子器件方面也具有更大的优势。然而，β?Ga₂O₃作为一种脆性半导体在高质量、高精密的器件加工制造中面临着巨大的挑战，在使用过程中由于热应力和残余应力等引起的退化和机械失效会导致β?Ga₂O₃基器件在高温、高压、以及高强度电场等极端工作环境下出现不可逆的损耗。β?Ga₂O₃的力学性能限制了β?Ga₂O₃基电子器件的制造、封装以及应用。因此了解β?Ga₂O₃的力学变形行为，提高其塑性变形能力从而避免因冲击造成的灾难性破坏，对于β?Ga₂O₃的应用具有重要意义。

图6. a. β?Ga₂O₃纳米柱在不同长径比、不同直径下的力学变形行为统计图。

本文在TEM中研究了(100) β?Ga₂O₃ 单晶的力学变形行为，结果表明β?Ga₂O₃在压缩过程中极易沿着 (100) B面发生脆断，同时计算得到了该材料的断裂应力范围 (314.1 ~ 615.1 MPa)。在室温下，通过单轴压缩发现了(100) β?Ga₂O₃ 单晶纳米柱中由尺寸效应引起的脆韧转变： 当长径比 > 2 时，β?Ga₂O₃ 纳米柱在不同直径下均表现为沿着(100) B面脆断，未观察到塑性；当长径比 < 2时，脆韧转变的临界直径约为200 nm，当直径> 200 nm时沿着 (100) B面脆断，< 200 nm时先沿着(201)面发生滑移，之后沿着(100) B面断裂。本研究进一步完善了晶体尺寸及取向对于β?Ga₂O₃力学变形行为的影响，为研究和利用低对称晶体结构半导体的优异力学性能提供了指导意义。