[论文解读] Crystallization Instead of Amorphization in Collision Cascades in Gallium Oxide

J. Zhao, Javier García‐Fernández+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 15, 2024

Ga2O3 and related materials被引用 6

一句话总结

本文显示，在 Ga2O3 的碰撞级联中，无序触发快速的 β-to-γ 相变而非非晶化，存在一个与实验和 ML-MD 模拟一致的尖锐无序阈值。

ABSTRACT

Disordering of solids typically leads to amorphization, but polymorph transitions, facilitated by favorable atomic rearrangements, may temporarily help to maintain long-range periodicity in the solid state. In far-from-equilibrium situations, such as atomic collision cascades, these rearrangements may not necessarily follow a thermodynamically gainful path, but may be kinetically limited. In this Letter, we focused on such crystallization instead of amorphization in collision cascades in gallium oxide (\ce{Ga2O3}). We determined the disorder threshold for irreversible $β$-to-$γ$ polymorph transition and explained why it results in elevating energy to that of the $γ$-polymorph, which exhibits the highest polymorph energy in the system below the amorphous state. Specifically, we demonstrate that upon reaching the disorder transition threshold, the \ce{Ga}-sublattice kinetically favors transitioning to the $γ$-like configuration, requiring significantly less migration for \ce{Ga} atoms to reach the lattice sites during post-cascade processes. As such, our data provide a consistent explanation of this remarkable phenomenon and can serve as a toolbox for predictive multi-polymorph fabrication.

研究动机与目标

• 了解 β-Ga2O3 的碰撞级联如何导致 β-to-γ 相变而非非晶化。
• 确定不可逆触发 β-to-γ 转变的无序阈值。
• 阐明原子迁移路径以及 Ga 亚晶格重构在稳定 γ 相中的作用。
• 为 Ga2O3 的多晶型制造提供预测框架。
• 将实验观察结果与 ML-MD 模拟相结合，解释后碰撞级联演化中的缺陷动力学。

提出的方法

• 使用 58Ni+ 离子注入在 β-Ga2O3 中创建受控无序，并用高分辨 STEM 和 SAED 表征。
• 使用带 Ga2O3 之间势的机器学习分子动力学（ML-MD）来建模重叠的碰撞级联和后碰撞退火。
• 进行 DFT 计算，以绘制 β 到 γ 迁移路径的中间态和能量景观。
• 构建正交 β-晶胞超胞，在相同条件下比较 β 和 γ 相以进行直接能量比较。
• 通过部分径向分布函数和键角分布分析无序态以跟踪相演化。
• 将实验无序阈值（dpa）与模拟中 ΔEp(Beta) 与 ΔEp(Gamma) 相交的跨点进行交叉验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 Ga2O3 的碰撞级联后，何种无序水平（以 dpa 表示）触发不可逆的 β-to-γ 相变？
• RQ2 为什么系统更倾向于转变到 γ 相而不是非晶化，以及涉及的原子迁移路径有哪些？
• RQ3 后碰撞级联退火与缺陷重组如何影响 γ 相的稳定性和动力学？
• RQ4 是否可以通过一组最小的 Ga 原子迁移来解释 β-to-γ 转变，该组迁移在释放应力的同时保持晶格边长？
• RQ5 β/γ 界面对稳定 γ 相和实现快速重构的作用是什么？

主要发现

• 存在一个尖锐的无序阈值（0.2–0.3 dpa 范围），在后碰撞级联演化中触发不可逆的 β-to-γ 转变。
• 超过阈值，Ga 亚晶格重新排列时的迁移显著减少，以达到 γ 晶格位点，稳定 γ 相而不是形成无定形 Ga2O3。
• ML-MD 与 DFT 分析显示 β 与 γ 的缺陷能在后碰撞级联演化过程中相交，解释了偏好 γ 形成。
• 后碰撞级联退火揭示两种机制：较低 PKAs 下部分恢复为 β，在较高 PKA 下维持 γ/无序态，与实验一致。
• 重构的 γ 类似态（γ′）涉及特定 Ga 原子位移（16/32 个 Ga）和应力释放，在外部松弛后形成最终的 γ 相。
• 界面介导的路径在薄界面区域内实现快速 γ 相形成，与实验观测到的 β/γ 边界尖锐相符。