张峰，陶雨，唐琦琪，吴彬彬，刘珊，雷力

(四川大学原子与分子物理研究所，成都 610065)

1 引言

单斜相的β-Ga2O3具有宽的能带间隙(4.8 eV)和高的击穿电压[1]，其在电学、光学、磁学、光催化领域的应用引起了研究者的广泛关注[2-4]。但是由于Ga2O3存在α,β,γ,δ,ε五种不同的相结构[5,6]，能带结构的不同使得这五种Ga2O3在光电特性方面有着显著的差异。例如α-Ga2O3(图1(b))的禁带宽度(2.41 eV)远小于β-Ga2O3(4.8 eV)。其中β-Ga2O3的晶体结构如图1(a)所示，它是常温常压下最常见，最稳定的结构[7]，目前已有研究指出它在高功率电子、探测器、高频晶体管、磁记忆材料等领域具有潜在的应用价值[8-10]。

图1 (a)β-Ga2O3的晶体结构，(b)α-Ga2O3的晶体结构Fig.1 (a)The crystal structure of β-Ga2O3 and (b)α-Ga2O3

通常来说材料在高压的作用下，其原子外层电子的排布会因为原子间距的缩小发生变化，进而影响原子间的相互作用，使材料的结构发生变化。目前现有的数据指出β-Ga2O3和α-Ga2O3的相对密度分别为5.94和6.48 g cm-3[11]。在压力的诱导下，Ga2O3极有可能发生由低密度的β-相向α-相的转变。但是目前关于压力诱导Ga2O3相变的研究存在较大的争议。例如，Tu等人[12]发现α-Ga2O3在约13.3 GPa下转变为一种四方相的Ga2O3；但是后续对比发现，文献中初始材料的XRD图谱并非是他们所声称的α-Ga2O3，而是β-Ga2O3。Kroll等人[13]计算指出，由于Ga原子外层δ电子所处状态的不同，β-Ga2O3向α-Ga2O3的转变可能发生在2.6 GPa或者6 GPa。Machon等人[14]结合同步辐射技术和高压拉曼技术发现了β-Ga2O3向α-Ga2O3的相转变压力在20～22 GPa之间。Lipinska-Kalita等人[15]的实验发现β-Ga2O3向α-Ga2O3的相变起始点发生在6.5～7 GPa之间，直到40 GPa左右相变完全结束。Wang等人[16]发现β-相向α-相的转变开始发生在13.6～16.4 GPa，直到39.2 GPa 该相变才完全结束。

综上所述，目前关于β-Ga2O3的相变点以及相变的相关机制仍存在争议。……