近日，中國科學院合肥物質院固體所李永鋼研究員、曾雉研究員團隊與北京計算科學研究中心黃兵研究員合作，發展了第一性原理驅動的多尺度模型框架，用于輻照半導體中深能級缺陷的多維度鑒定，解決了非平衡半導體缺陷原子起源及動力學演化的難題。相關成果以“Multidimensional defect identification of semiconductors in nonequilibrium”為題，發表在國際知名期刊Nature Communications上。

隨著深空探測、核能應用和量子科技等需求的增長，確定半導體缺陷的原子起源對于缺陷調控及光電子器件優化至關重要。然而，半導體器件在工藝加工和高能粒子輻照環境下，會產生大量非平衡態缺陷。此類缺陷相對于平衡態缺陷的識別極具挑戰性，現有的表征技術如深能級瞬態譜（DLTS）只能探測光電信號，無法解析缺陷的原子起源，而傳統的平衡態缺陷理論也難以處理非平衡缺陷的多維特性。

為解決這些問題，研究團隊打破傳統的單維度分析方法，構建了基于第一性原理的多尺度模型框架，突破了非平衡缺陷精準鑒定和DLTS準確模擬的兩大技術瓶頸，成功實現了輻照半導體中深能級缺陷的多維度鑒定及其演化機理揭示。團隊首先運用該方法成功鑒定了中子輻照硅中的深能級缺陷，驗證了方法的可靠性。并進一步鑒定了中子輻照第三代半導體4H-SiC中的深能級缺陷，解決了其原子起源的長期爭議。研究還發現，由于不同溫度下的缺陷動力學行為不同，缺陷類型會隨著退火溫度的變化而顯著改變，這一發現顛覆了長期以來基于靜態缺陷理論的認知。該工作有力推動了半導體非平衡缺陷理論的發展，并為半導體材料和器件性能的調控提供了重要指導，有望應用于抗輻照電子器件和固態量子比特設計等國家重點領域。

博士后劉俊、博士研究生高揚和寧波東方理工大學博士后晏曉嵐為論文共同第一作者，李永鋼研究員、黃兵研究員和曾雉研究員為通訊作者。該工作得到國家自然科學基金、安徽省自然科學基金、科學挑戰計劃、中國科學院戰略性先導科技專項和青年創新促進會的資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-65718-8

圖1. 第一性原理驅動的輻照半導體深能級缺陷多維度鑒定的多尺度模型框架

圖2. 中子輻照硅中深能級缺陷的鑒定過程

圖3. 非平衡態下4H-SiC中深能級缺陷的多維度鑒定