基于中子辐照的宽禁带半导体材料的物性研究

Due to the outstanding features such as wide bandgap, high critical electric field, high saturated electron mobility, especially the better resistance characteristics than conventional Si and GaAs in severe environment, wide band gap semiconductor has extensive applications in the field of aerospace, radar communication, weapons. According to the situation of the lack of research on microstructure and physical properties irradiated by neutron, this project is based on the wide band gap semiconductor, and a systematically study to probe the role of irradiation on properties was performed. Crystal characterization technique including XRD, Raman, EELS, HRTEM, PAS, combined with properties characterization methods such as PPMS, SQUID, PL, CL etc were used to investigate the effect of neutron irradiation on their microstructure, optical and electromagnetic transport properties. Using the first principles to calculate the properties after irradiation, to analysis the mechanism of different materials after neutron irradiation and to explore the possible new phenomena and new rules, revealing the inner association of materials - irradiation defects -properties, has important significance of expanding its application field and physical connotations.

宽禁带半导体具有禁带宽度大、临界电场高、电子饱和迁移率高等优异特性，特别是其耐恶劣环境特性是Si和GaAs等传统半导体所无法比拟的，因此广泛应用于航空航天、雷达通信、武器装备等领域。针对中子辐照对其微观结构和物理性质的影响缺乏研究的现状，本项目以宽禁带半导体为研究对象，系统地开展中子辐照对半导体材料物性作用规律的研究。项目拟采用XRD, Raman, EELS, HRTEM, PAS等结构表征技术，结合PPMS, SQUID, PL, CL等物性测量方法，系统地研究中子辐照对半导体材料微观结构、光学、电磁输运性质的作用规律。采用第一性原理对辐照后的物性进行理论计算，分析不同材料中子辐照后物性的变化机理，探索可能的新现象和新规律，揭示材料种类-辐照缺陷-物性变化的内在关联，对于发掘辐照宽禁带半导体的物理内涵，拓展其应用领域具有重要的意义。

本项目以宽禁带半导体材料为研究对象，以中子辐照为产生缺陷的技术手段，在宽禁带半导体材料中开展缺陷诱导产生的磁学、光学和电催化性质等研究内容，研究宽禁带半导体材料中的缺陷种类、含量与和物性变化的内在关联。项目执行期间取得多项重要的研究成果，共计发表SCI论文35篇，其中以通讯（或第一）发表J. Am. Chem. Soc. 1篇，Nano Lett.1篇，Adv. Mater.1篇, Adv. Funct. Mater.1篇，ACS Appl. Mat. Interfaces 4篇，Appl. Phys. Lett. 3篇。在双空位的AlN纳米螺旋中，观察到了时间长达300 s 的长余辉现象，在中子辐照的单晶硅中发现了由6个Si空位所组成的V6缺陷，以及由此所诱导产生的长程磁有序，在二维层状半导体材料二硫化钼中区分了空位、边缘和相结构对于电催化的贡献大小。本项目把握了半导体材料与能源领域的发展动向，瞄准宽禁带半导体材料的辐照损伤机制、辐照缺陷发光研究、半导体材料与电子结构的变化对物理性质影响等重大科学技术问题，对面向各类航空、航天以及战略武器电子系统的重大社会应用需求有着重要的意义。