人工晶体学报

功能材料的生成式设计：MatterGen的突破与展望

马凤凯, 张裕祥, 李真, 张晨波, 陈振强, 徐军, 苏良碧

2026, 55(3): 327-330. doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2026.0001

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传统材料发现方法，如实验试错和高通量筛选，受限于数据库的规模，难以高效探索广阔的化学空间。生成式人工智能（AI）正在材料科学领域引发深刻变革，为功能材料的逆向设计提供全新范式。本文聚焦于近期发表于Nature的里程碑工作—MatterGen生成模型，系统介绍其如何通过扩散模型实现无机晶体材料的原子类型、坐标和晶格参数的稳定、可控联合生成。MatterGen不仅能生成跨周期表的稳定多样晶体结构，更能通过特定领域微调实现目标化学组成、空间对称性及力、电、磁等多重性能约束的条件生成。本文通过解析MatterGen的技术原理、性能优势及实验验证，阐述生成式模型如何推动材料设计从“筛选”走向“创造”，并展望该技术面临的挑战与未来发展趋势。

卤化亚汞晶体及其在红外偏光/声光与核辐射探测器件中的应用

宋剑, 岳中杰, 乔晓杰, 翟仲军, 张国栋, 陶绪堂

2026, 55(3): 331-339. doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0235

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Hg₂X₂ （X=Cl、Br、I）系列晶体具有红外透光范围宽、双折射大、声光品质因子大、声速和声衰减系数低等特点，是一类性能优良的中长波红外偏光与声光晶体材料，广泛应用于研制格兰·泰勒棱镜、渥拉斯顿棱镜等偏光器件及声光调制器、声光可调滤波器等声光器件，这些器件是高性能红外光谱仪、红外激光器、红外探测器的核心元件。此外，此类晶体的平均原子序数大、密度高、电阻率高、迁移率寿命积大，且兼具优异的半导体性能和近红外闪烁发光性能，在核辐射探测领域展现出巨大的应用潜力。本文系统综述了Hg₂X₂系列晶体的结构特征与物理性质，讨论了大尺寸晶体的生长方法，并深入分析了其在偏光器件、声光器件及辐射探测领域的应用进展，指出后续研究重点应聚焦于优化物理气相传输法工艺参数，提升晶体性能一致性，同时补充极端环境可靠性数据，推动其在更多实际场景中应用。

金刚石n型掺杂研究进展与展望

游志鹏, 任泽阳, 张金风, 郝跃, 张进成

2026, 55(3): 340-348. doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0200

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金刚石是超宽禁带半导体的典型代表，理论上具有禁带宽度大、热导率极高、载流子迁移率高等优点，是高频、大功率、高温电子器件的理想材料。实现高效、高稳定的半导体掺杂是金刚石半导体电子器件应用的必然要求。目前，通过采用氢终端/硅终端等表面改性及硼掺杂等方法已经实现了较为优异的金刚石p型掺杂，并且p型器件也不断取得新的突破。但金刚石n型半导体掺杂却一直没有寻找到合适的掺杂剂或材料改性方法，仍然面临着掺杂效率低、激活能高、材料生长困难等问题。本文系统综述了金刚石采用单元素掺杂和多元素共掺杂方法实现n型半导体掺杂的国内外研究进展，并对各种掺杂方案的优势和缺点进行了分析，对金刚石n型掺杂的发展前景进行展望，希望能为解决金刚石n型半导体掺杂难题提供参考。

低温生长高质量MAPbI₃钙钛矿单晶及其光电探测性能

刘东, 李玉鑫, 李大林, 路斌, 郭政, 陈谦, 张晓静, 王雅雪, 陈丹平, 郭可欣, 何涛

2026, 55(3): 349-358. doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0215

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钙钛矿单晶凭借低缺陷密度、优异光伏性能、高湿稳定性及强抗离子迁移能力，在光电子器件领域彰显出巨大应用潜力。然而，钙钛矿单晶在光伏、发光二极管等核心应用场景中的效率仍落后于多晶薄膜，其发展进程受材料特性、生长工艺等多重因素制约。针对这一瓶颈，本文开发了一种以2-甲氧基乙醇（2ME）为溶剂的低温晶体生长策略。该策略能有效缓解钙钛矿单晶生长过程中的温度波动问题，显著减少缺陷态形成，同时，2ME较高的饱和蒸汽压可降低溶剂在单晶表面的残留，进一步优化晶体质量。与传统GBL溶剂相比，基于2ME溶剂制备的MAPbI₃单晶性能实现全面提升：光致发光（PL）强度提高2.7倍，载流子寿命延长1.5倍，缺陷态密度降低16%，离子迁移活化能提升19%。将2ME溶剂制备的MAPbI₃单晶应用于自驱动光电探测器，在0 V偏压下，器件响应度R达到0.55 A·W^-1，比探测率D^*高达0.80×10¹³ Jones，分别为GBL溶剂制备器件的1.72倍和1.59倍，且响应时间提升49%以上。本研究提出的低温晶体生长策略为钙钛矿单晶的性能优化提供了新思路，有望加速其在高端成像、光通信、量子探测等先进光电子器件领域的产业化应用。

直径150 mm碲锌镉晶体生长温场控制研究

曹聪, 刘江高, 折伟林, 范叶霞, 马启司, 李振兴

2026, 55(3): 359-367. doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0217

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碲锌镉（CZT）是红外探测及核辐射探测领域的重要材料，作为制造下一代超大型阵列探测器的基础性材料受到广泛关注。针对垂直梯度凝固（VGF）法生长直径150 mm碲锌镉晶体过程中的技术难题，采用有限元模拟方法调控晶体生长过程中加热器输出功率，进而实现碲锌镉晶体生长温场调控，获得了全流程凸界面形状的晶体生长工艺，并且成功生长出高质量直径150 mm碲锌镉单晶，所生长晶体支持尺寸为100 mm×100 mm的红外用碲锌镉衬底制备。测试结果显示，碲锌镉晶体组分分布均匀，碲锌镉衬底（111）面摇摆曲线半峰全宽达15″以下，平均位错腐蚀坑密度低于1×10⁴ cm^-2。

改进的YOLO11晶体表面缺陷光学检测方法

殷创业, 王华东, 张庆礼, 孙贵华, 孙彧, 张志荣

2026, 55(3): 368-377. doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0178

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晶体制品在生产、制作、加工过程中易产生划痕缺陷，精准识别这些缺陷成为该领域的技术难题。为应对复杂成像条件下的多类型划痕检测的要求，本文基于YOLO11，引入可变形的注意力转换器（DAT）和大可分离核注意力（LSKA）机制，通过采用可变性卷积增强图像的特征输出，以及引入不同尺度感受野机制，增强模型对晶体表面多尺度缺陷特征的自适应建模能力。相较于传统的 YOLOv3、YOLOv5、YOLOv8及本文的基线模型YOLO11，改进后的YOLO11-DAT_LSKA在mAP@0.5指标上分别对相关缺陷进行检测分析，取得了2.5、2.3、1.9和1.5个百分点的性能提升。说明该处理方法在增强特征建模能力和提升对复杂划痕的感知具有一定优势，提高了模型对晶体表面缺陷的检测精度。特别是针对晶体表面缺陷具有低对比度、强反射、细长不规则形态等特征，本文所引入的DAT与LSKA模块分别从可变形卷积与多尺度感受野自适应两个层面出发，使模型在刻画缺陷形态差异和多尺度缺陷结构方面具有针对性与鲁棒性。

激光剥离对4H-SiC衬底应力及面型的影响研究

胡浩林, 李齐治, 佘文婧, 邹兴, 卢致涛, 陈刚, 王映德, 万玉喜

2026, 55(3): 378-386. doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0225

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在第三代半导体快速发展和8英寸（1英寸=2.54 cm）4H-SiC大尺寸、低翘曲衬底需求持续攀升的背景下，传统多线切割存在材料损耗大、残余应力及面型难以精细控制等问题，而现有激光剥离研究多集中于小尺寸或半绝缘4H-SiC，对导电型8英寸4°离轴晶锭在工程条件下的“工艺参数-残余应力-晶圆面型”关联缺乏系统认识。本文以8英寸导电N型4°离轴4H-SiC晶锭为对象，采用1 064 nm皮秒激光内改质结合超声剥离工艺，系统调节扫描速度（50~400 mm/s），并通过SEM/TEM/SAED、拉曼深度剖面、高分辨XRD-Stoney方程、晶格应力分析及全口径面型测试，构建从微观改质层到整片晶圆翘曲的多尺度评价链路。本文清晰地阐明了皮秒激光对SiC裂纹沿［11 $2 ˉ$ 0］的形成机制及延伸机制，从微观及宏观角度揭示了激光扫描速度对8英寸SiC衬底剥离效果、应力情况及面型质量的影响。为8英寸4H-SiC晶圆的高质量激光剥离制备提供了理论支撑与工艺优化路径，也为基于激光改质层实现SiC衬底面型可控调控提供了可借鉴的研究思路。

4H-SiC外延形貌缺陷对MOSFET电学特性影响研究

王品, 王静, 刘德财, 张文婷, 于乐, 李哲洋

2026, 55(3): 387-394. doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0223

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4H-SiC金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）凭借高击穿电压、快速开关、低损耗等优异性能，成为最具发展潜力的半导体器件之一。然而外延过程形成的形貌缺陷会影响MOSFET的良率和可靠性。本文研究了三种形貌缺陷对6.5 kV MOSFET电学特性的影响。结果表明，三角形缺陷会导致器件早期击穿，反向击穿电压不大于3 V，缺陷位于有源区还会导致栅控失效。类三角形缺陷和直线型缺陷对器件的击穿电压无明显影响，但类三角形缺陷导致器件的导通电阻增大了4.56%。与直线型缺陷相比，尽管类三角形缺陷的带隙收缩较小，但其形貌区域存在更显著的应力集中，且堆垛层错面积为直线型缺陷的5倍，从而导致器件导通电阻增大。此外，类三角形缺陷和直线型缺陷均在导电原子力显微镜施加负压时漏电，尽管两者未引起器件静态特性明显变化，但仍不利于器件的长期可靠性。

8英寸4H-SiC的P型高掺杂外延生长与缺陷控制研究

江奕天, 叶正, 蔡子东, 伍子豪, 房育涛, 夏云, 陈刚, 胡浩林, 万玉喜

2026, 55(3): 395-402. doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0224

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本文针对高压碳化硅（SiC）功率器件对高质量P型高掺杂外延层的迫切需求，系统研究了基于三甲基铝（Al（CH₃）₃， TMA）前驱体的8英寸（1英寸=2.54 cm）4H-SiC同质外延生长技术。通过优化高温化学气相沉积（CVD）过程中的关键参数，成功在8英寸4°偏角4H-SiC衬底上实现了外延层铝（Al）掺杂浓度大于1.00×10¹⁹ cm^-3的可控掺杂，外延层纵向掺杂均匀性良好，并利用表面缺陷检测技术分析了掺杂浓度对缺陷形貌的影响规律。结果表明，当Al掺杂浓度超过1.35×10¹⁹ cm^-3时，晶格失配应力会诱导表面形貌恶化，且恶化程度随Al掺杂浓度升高而加剧。通过进一步优化生长条件，最终在高于1.00×10¹⁹ cm^-3的高掺杂浓度下，将致命缺陷密度成功抑制在0.156 cm^-2的水平，从而使3 mm×3 mm芯片面积的可用面积率达到99.0%。本研究为实现高质量、大尺寸P型4H-SiC外延层的制备提供了有效的技术方案，为其在高压功率器件中的产业化应用提供了坚实的材料基础。

4H-SiC中不同位错对载流子浓度影响的拉曼光谱研究

庄昌钰, 吴枚霞, 权纪亮, 李述体

2026, 55(3): 403-410. doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0219

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在镍坩埚中于520 ℃下用熔融KOH对物理气相传输（PVT）法生长的n型4H-SiC晶体样品进行腐蚀处理，利用光学显微镜（OM）、原子力显微镜（AFM）和扫描电子显微镜（SEM）对晶片中的刃位错（TED）、螺位错（TSD）和混合型位错（TMD）进行区分与识别。采用显微拉曼光谱仪对不同位错缺陷进行光谱表征，并将缺陷区域的拉曼光谱与无缺陷区域进行对比，重点关注由载流子浓度升高引起的纵向光声子-等离子体耦合（LOPC）模式（位于984.609 cm^-1处）。通过Matlab对拉曼光谱进行拟合，并依据理论公式计算得出不同区域的载流子浓度（n）。对比缺陷中心与无缺陷区域的n值，发现缺陷中心表现出明显的载流子陷阱效应。进一步计算各缺陷中心拉曼光谱的半峰全宽（FWHM），并将其与载流子浓度n进行联合分析，以评估载流子陷阱效应的相对强弱。研究表明，不同缺陷中心的载流子陷阱效应强弱顺序为：TSD、TMD、TED，并提出对晶体生长工艺和器件工艺的优化建议。

图形化与非图形化薄膜衬底上Na助熔剂法生长GaN晶体的研究

黄戈萌, 马明, 夏颂, 范世, 李振荣

2026, 55(3): 411-422. doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0218

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本研究采用Na助熔剂液相外延生长法，开展了不同温度下图形化（PS）与非图形化（NPS）薄膜衬底上GaN晶体的外延生长研究。结合COMSOL数值模拟，计算并分析了不同温度条件下Ga-Na熔体中的氮浓度分布及GaN过饱和度变化规律，从实验与数值模拟两方面系统研究了PS和NPS上GaN晶体外延生长行为的差异。研究结果表明，在PS上，仅在840和850 ℃下成功实现了接种与外延生长，所得晶体表面呈现规则的六方锥阵列形貌，断面中上部存在未完全填充间隙。随温度从840 ℃升至850 ℃，熔体中氮浓度升高，过饱和度降低，六方锥小面趋于光滑，整体厚度由约570 μm增至约810 μm；当温度进一步升至860 ℃时，熔体中过饱和度进一步降低，点籽晶完全溶解，无外延生长发生。与之相比，在NPS上，840~860 ℃均可实现稳定外延生长。随温度升高，熔体中过饱和度逐渐降低，晶体表面形貌由低温下的山脊状结构逐渐转变为平坦胞状结构，断面表现为横向连续且致密。晶体厚度随温度变化呈先增后减趋势，于850 ℃达到最大值约1 450 μm。此外，PS上所得GaN晶体的厚度显著小于NPS。相比于NPS，PS的稳定外延生长窗口更窄，需要更精确地调控生长参数，以实现高质量晶体的外延生长。

助熔剂过量辅助液相外延GaN晶体的生长过程研究

杨琛, 黄戈萌, 潘荣林, 马明, 夏颂, 范世, 李振荣

2026, 55(3): 423-430. doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0229

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本文采用Na助熔剂液相外延法，系统研究了生长时间对GaN晶体的表面形貌、产率与质量的影响，并结合生长过程中坩埚内物料的变化和N离子浓度的计算，研究了助熔剂过量辅助液相外延GaN晶体的生长过程。结果表明，随着生长时间的延长，晶体表面形貌由初期的较小尺寸山脊状逐渐转变为棱台状，最终发育为大尺寸山脊状。晶体外延厚度随生长时间的延长而增加，生长时间为100 h时生长厚度内为1 500 μm；同时，晶体产率显著提升，与生长时间基本呈线性关系。生长时间为100 h时，GaN单晶产率、多晶产率和总产率分别约为65.5%、18.5%和84.0%。在生长初期，（0002）面X射线摇摆曲线（XRC）半峰全宽低于270″，并随生长时间延长逐渐变大。对生长过程中熔体内剩余物料的计算结果表明，剩余金属Ga的质量随生长时间线性减少，而剩余金属Na的质量在生长初期略有上升，后期趋于稳定。数值计算结果显示，随着生长时间的延长，熔体内N离子浓度呈增大的趋势。本研究可为调控GaN晶体形貌、提升产率及优化生长工艺提供了重要的实验与理论依据。

金属有机化学气相外延法中临界斜切角对薄层InGaN生长的影响

张东炎, 林旺, 高守帅, 金超, 韩宝仪, 李欣, 仲继宇, 李维环, 刘宏伟

2026, 55(3): 431-438. doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0209

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本文通过金属有机化学气相外延（MOCVD）方法，系统研究了c面GaN衬底斜切角对InGaN外延层形貌、铟掺入行为及光学性能的影响。研究结果表明，随着衬底斜切角增大，InGaN形貌由二维岛状结构逐渐转变为阶梯状结构，该转变主要由表面过饱和度降低驱动。二维岛向阶梯结构转变的临界斜切角随气相过饱和度的升高而增大，可通过降低生长温度或提高生长速率实现。此外，InN摩尔分数和光致发光强度均在临界斜切角附近达到最大值。本研究揭示了斜切角与生长条件共同调控InGaN形貌与性能的机制，为高质量InGaN基光电器件的制备提供了理论依据和实验指导。

垂直布里奇曼法 β-Ga₂O₃晶体生长过程中的内辐射传热研究

赵琪, 刘奕豪, 齐小方, 马文成, 徐永宽, 胡章贵

2026, 55(3): 439-451. doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0222

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β相氧化镓晶体（β-Ga₂O₃）因具有超宽禁带特性成为高功率器件的关键材料，垂直布里奇曼（VB）法是目前最有机会实现商业化生长氧化镓单晶的方法。然而，氧化镓晶体与熔体的半透明性会引发显著的内辐射传热，该效应会影响晶体生长过程中的温场与流场，进而影响晶体质量。因此本文采用有限元软件Comsol Multiphysics建立VB法氧化镓晶体生长过程的传热数值模型，系统探究了内辐射传热对温场、熔体流场、固液界面和晶体热应力的影响规律。数值模拟结果表明，晶体内辐射传热会显著增强晶体热输运，来自固液界面的辐射传热可以直接穿透半透明晶体至坩埚壁，降低晶体内部温度梯度与热应力，该辐射传热对固液界面产生直接辐射冷却，因此固液界面处温度有下降的趋势。为了维持熔点温度，固液界面必须向上部高温熔体移动，固液界面凸度增加。熔体内辐射传热也会影响熔体区域的热量传递，来自热区的辐射传热会穿透熔体至固液界面，起到辐射加热固液界面的效果，因此固液界面向晶体侧移动，固液界面形状凸度变小，呈W型分布，但由于晶体等温线与热应力主要聚集在晶体底部，对晶体内部温度梯度与热应力影响很小。此外，本文还系统分析了内辐射传热对晶体/熔体吸收系数的敏感性，发现随着晶体吸收系数减小，晶体内辐射传热作用增强，熔体和晶体内温度梯度减小，晶体热应力减小，固液界面凸度增加，将导致溶质径向分布不均。随着熔体吸收系数的减小，熔体内辐射增强，晶体底部温度梯度与热应力略有下降，固液界面中心凸度变小，W型分布更加明显，边缘更易多晶成核，进而影响晶体质量。

过渡金属掺杂 β -Ga₂O₃的电子结构和磁性能的第一性原理研究

王艳杰, 李豹, 宋俊辉, 何星灿, 王超, 杨帆, 闫兴振, 迟耀丹, 杨小天

2026, 55(3): 452-460. doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0208

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本文采用第一性原理计算方法系统地研究了Ga空位和3d过渡金属元素Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni和Cu掺杂对β-Ga₂O₃的几何结构、电子结构、稳定性及磁学性质的影响。计算结果表明，Ga空位和掺杂原子都使β-Ga₂O₃的几何结构产生了不同程度的局部畸变，但没有破坏β-Ga₂O₃自身结构的整体对称性。形成能计算结果表明，含Ga空位或掺杂原子的β-Ga₂O₃体系均是稳定的，并且在富O环境下更容易形成。更重要的，含Ga空位及Ti、V、Cr、Mn、Fe、Ni和Cu掺杂的β-Ga₂O₃体系基态是磁性的，其磁矩分别为2.51、0.67、0.12、3.00、2.05、1.00、1.00、1.92 μ_B。通过分析可知含Ga空位及Ti、V、Cr、Mn、Fe、Ni和Cu掺杂的β-Ga₂O₃体系的磁矩分布与空位或掺杂原子和近邻的氧原子杂化有关，其中过渡金属元素掺杂的β-Ga₂O₃体系中的磁矩主要来源于3d过渡金属掺杂原子的贡献。

基于第一性原理的(SnSe) _m /(SnS) _n 横向异质结电子结构与光学性质及应变效应研究

赵志洲, 苏尔琴, 王新喜, 周新圆, 张丽丽, 赵旭才

2026, 55(3): 461-474. doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0231

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本文基于第一性原理计算构建了扶手椅（armchair， AC）型和锯齿（zigzag， ZZ）型横向异质结模型，分别用符号表示为AC-（SnSe） _m /（SnS） _n 和ZZ-（SnSe） _m /（SnS） _n，其中m/n=1/11、6/6、11/1，系统研究了其稳定性、电子结构、光学性质及应变调控效应。结果表明，AC-（SnSe） _m /（SnS） _n 的带隙随m值的增大而减小，这有利于促进光生电子-空穴对的产生，从而提升光催化活性。在所构建的模型中，仅ZZ-（SnSe）₆/（SnS）₆呈现出典型的Ⅱ型能带对齐结构，可有效促进光生载流子的空间分离，增加电子受激发迁移的概率，增强光电性能。光吸收谱分析表明，ZZ-（SnSe）₆/（SnS）₆与AC-（SnSe）₆/（SnS）₆具有更强的极化响应与更优的载流子输运潜力，其中ZZ-（SnSe）₆/（SnS）₆的吸收范围更宽、吸收强度更高。此外，应变工程可进一步调控性能，以AC-（SnSe）₆/（SnS）₆为例，+4%拉伸应变可诱导间接带隙转变为直接带隙，而-12%压缩应变则显著增强吸收并提高光催化效率。本研究揭示了组分比例与应变工程在SnSe/SnS横向异质结中的协同调控机制，为高效二维光催化/光伏器件的设计提供理论依据。

化学气相沉积ZnS过程中气体流型的多参数调控数值模拟

王虎, 赵小玻, 闫昊, 卢志辰, 曹艳翠, 张绍锋, 石林, 马鹏飞

2026, 55(3): 475-485. doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0195

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本文采用FLUENT软件对化学气相沉积（CVD）硫化锌（ZnS）过程中沉积室内的气体流型展开数值模拟研究。聚焦锌（Zn）蒸气与硫化氢（H₂S）气体的流动特性，通过构建沉积室三维物理模型，系统分析不同工艺参数协同作用下气体流场的分布规律。研究重点包括沉积室内压力及原料进气速度等参数下的沉积室气体流型分布、密度流场形态分布、速度流场及温度流场的演化，揭示气体流型对ZnS沉积速率均匀性及材料生长质量的影响机制。结果表明，随着沉积压力从3 000 Pa增至6 000 Pa、喷嘴速度同步提升，沉积室气体流型呈现“紊乱-有序-稳定-失稳”的协同演化趋势。本工作为实现高质量ZnS材料的可控生长提供理论依据与工艺优化方向，对红外光学材料制备具有重要指导价值。

我国光学级大口径氟化钡单晶实现量产

2026, 55(3): 486-486. doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2026.0028

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