Disorder Induced Ordering in Gallium Oxide (DIOGO)

Nylig viste vi at akkumuleringen av den strålingsinduserte forstyrrelsen i galliumoksidkrystaller kan resultere i paradoksal rekkefølge av alternative gitterstrukturer – kalt polymorfer – i stedet for kaotisk disoranisering, kjent som amorfisering av materialer. Samtidig ble det observert to nye egenskaper: (i) atomisk-skarpe grensesnitt mellom forskjellige polymorfe lag og (ii) enestående høy strålingstoleranse for disse "uordenskonstruerte" strukturene. Imidlertid, selv om resultatene av denne oppdagelsen allerede var publisert i to tidsskriftsartikler med stor innvirkning, nærmere bestemt i Physical Review Letters 128, 15704(2022) og Nature Communications 14, 4855 (2023), er forståelsen av de underliggende fysiske mekanismene ufullstendig og mulige praktiske anvendelser av disse nye strukturene er uutforsket. Derfor tar vi sikte på å foreta en systematisk innsats for å forstå naturen til den strålingsinduserte krystalliseringen i stedet for amorfisering, noe som baner vei for funksjonalisering av disse "uordenskonstruerte" strukturene. For den saks skyld foreslår vi å bruke et arsenal av metoder tilgjengelig innenfor NorFab/NORTEM nasjonale forskningsinfrastrukturer i Norge, forsterket ved å bruke internasjonal storskala infrastruktur og motta input via nasjonale og internasjonale samarbeid. Som sådan er målene våre ambisiøse, nye, troverdige og tverrfaglige, som til sammen fører til svært positive forventede resultater, og tilpasser dette prosjektet med FRIPRO-programmets mål.

We aim to understand the nature of the disorder-induced crystallization instead of amorphization in Ga2O3, accompanied with formation of self-organized polymorph interfaces, potentially paving the way for functionalization of these new semiconductor structures. We start from our own set of preliminary data: (i) observation of ion irradiation induced ß-to-? polymorph transformation in Ga2O3, (ii) finding that ?/ß Ga2O3 interfaces fabricated by such processing exhibit very low lattice mismatch and (iii) discovery that as soon as ?-Ga2O3 forms, it demonstrates unprecedently high radiation tolerance. Starting from there, our objective is twofold. Firstly, we want to understand the fundamental mechanisms behind (i-iii) phenomena and gain a full control over the polymorph transformations. For that matter we propose to use an arsenal of methods available within NorFab/NORTEM research infrastructures in Norway, reinforced by using international large-scale infrastructures and receiving inputs via collaborations. Secondly, we plan to apply our fundamental findings to improve radiation tolerant and power electronics devices. This part of work is plausible because consistently with our preliminary device simulations there is a significant performance gain if including ?/ß Ga2O3 interfaces into the power device designs. Moreover, the device development is feasible, because we already made an initial demonstration of simplified, but operating ?/ß Ga2O3 diodes, shown to remain functionable when reference devices failed in the radiation tests. Thus, our objectives are credible making the project ambitious, novel, and cross-disciplinary, with very positive expected impacts.