以氧化镓(Ga2O3)为代表的第四代超宽禁带半导体材料具有优异的物理特性，有望进一步突破现有半导体材料的理论极限，在电子功率器件、日盲探测、高温气体传感领域 有重要应用前景。然而由于氧化镓体系的高度复杂性，现有计算仿真研究均局限于针对百原子级的第一性原理计算，一些氧化镓相关的重要科学技术问题的研究必须建立在万原子级以上的大尺度计算体系之上，因其所需计算量过于庞大，无法仅依靠第一性原理计算开展系统研究。

近日，南方科技大学电子与电气工程系助理教授化梦媛团队结合氧化镓半导体技术尖端发展趋势与机器学习最前沿研究，成功开发出能够大尺度模拟氧化镓多相态共生体系的分子动力学势函数，深入研究其生长调控机制与重要结构特性，对加速氧化镓半导体技术成熟和解决多相态共生体系制备关键技术问题具有非常重要的研究意义。这项工作以“Complex Ga2O3 polymorphs explored by accurate and general-purpose machine-learning interatomic potentials”为题发表于计算材料领域顶级期刊npj Computational Materials上。

此项研究通过大规模第一性原理计算建立了高精度氧化镓多相态体系第一性原理数据库（图1）。采用高斯过程回归机器学习算法对数据库进行训练拟合、产生同一代多个势函数版本并输出势函数测试结果。通过自主开发的自动测试 软件包对每一参数版本设置下势函数的精确性、普适性和计算效能进行系统测试，从而得出多次迭代后的优化势函数版本。

图1.此项研究中自主开发的第二代氧化镓机器学习数据库模型汇总示意图。数据库涵盖(i, ii)所有实验已知的和多种理论预测的氧化镓晶相高精度模型，并普适兼容(iii)非晶/高温熔融态以及(iv)高能/离散态氧化镓体系的数据模型，成功同时满足了高精度和泛用 性分子动力学模拟需求。

最终公开发布的势函数兼具高精度，泛用性以及高计算效能等优势，可以有效模拟十万至百万原子级体系的氧化镓材料结构演化过程。相应的分子动力学模拟成功揭示了β相氧化镓固液界面重结晶时镓与氧亚晶格相对独立的复杂动态过程（图2）。后续势函数将可被应用于研究高能离子束辐照相变、晶格热输运、表面气态外延生长等氧化镓材料相关重要技术领域。

图2.使用机器学习势函数研究固液相变中界面重结晶的分子动力学模拟。成功揭示了界面处独特的低迁移率氧原子。这一组氧原子对应于界面缺陷区域快速形成的面心立方亚晶格氧原子。

南科大为论文第一单位。南科大电子与电气工程系助理教授化梦媛与研究助理教授赵骏磊为通讯作者。赵骏磊为论文第一作者。该工作得到了国家自然基金、广东省基础与应用基础研究基金以及深圳市基础研究项目的资金支持。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41524-023-01117-1 

供稿：电子与电气工程系

通讯员：李薇

主图：丘妍

编辑：朱增光