β-Ga2O3作为超宽禁带半导体材料，凭借4.6-4.9eV的禁带宽度、高击穿场强（可达8MV·cm-1）以及良好的热稳定性，被认为是下一代高功率电子器件、光电子器件与传感器的重要候选材料；同时，大尺寸β-Ga2O3单晶可通过熔融法规模化生长，为产业化提供了现实路径。但与多数功能氧化物一样，β-Ga2O3的室温本征脆性显著：强离子键/定向共价键使其在宏—介观尺度几乎不发生室温塑性变形，在机械载荷、加工与抛光等工序中更易沿弱解理晶面发生开裂，直接影响晶圆可加工性与器件可靠性。
针对这一“性能明星”遭遇“力学短板”的核心痛点，南方科技大学机械与能源工程系曾国松团队、逯文君团队与卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）方旭飞团队联合在Advanced Functional Materials发表研究，提出并验证了一条将“位错”从传统半导体语境中的“有害缺陷”转化为“可设计结构单元”的新路线：通过表面循环划痕实现机械种位错（mechanically seeded dislocations），在（001）取向β-Ga2O3单晶近表层构建可参与变形的位错网，从而在后续局部加载中显著抑制解理裂纹、稳定塑性承载并提升纳米硬度。该工作以（001）取向的β-Ga2O3为实验对象也具有直接工程关联性，因为该取向在β-Ga2O3肖特基势垒二极管等功率器件制造中被广泛应用。
本研究的关键在于“绕开位错高形核应力”：在脆性氧化物里，裂纹往往先于位错形核而发生，使材料来不及通过位错滑移耗散能量。团队采用Brinell 球压头沿晶体 [100] 方向进行表面划痕，通过球形接触相对温和的应力分布降低应力集中风险，同时利用循环往复的划痕加载促使位错在亚表层持续增殖，最终在一条介观尺度的磨痕（wear track）内形成缺陷富集结构并避免明显的脆性解理断裂。TEM 与多尺度形貌分析进一步表明：划痕后材料并未发生相变，结构变化的主导因素正是“被种入”的位错网；在位错类型上，划痕诱导的位错以刃型位错为主，主要属于(011)[01-1] 和/或(0-11)[011] 滑移系，这为后续理解“位错如何抑制裂纹、如何改变变形路径”提供了明确的晶体学约束。
图1（参考区：未划痕样品的表面与近表层结构）可以用来帮助读者建立材料“初始状态”：光学显微镜下（001）取向β-Ga2O3基片表面平整、宏观无明显缺陷；SPM显示平均粗糙度约0.1nm；截面ABF/TEM观察到基体内部基本无位错或层错等缺陷。值得注意的是，在最表层仍可见由制样（如CMP）引入的两层损伤层：最上方约20nm非晶层及其下方约20nm的纳米晶层，这些“工艺背景缺陷”在划痕前后厚度与结构基本一致，后续讨论增韧与硬化的关键变量将聚焦在“划痕种入的位错”而非表面薄层本身。
图1a 为参考区表面光学图；图1b为参考区SPM形貌（标注0.1nm量级粗糙度）；图1c为截面ABF显示基体无位错；图1e–f为表层非晶/纳米晶层的HRTEM与FFT证据（标注厚度约20nm+20nm）。
在此基线上，图2（划痕区：磨痕形貌与位错引入）展示了“种位错”的实现方式与其温和性：沿 [100] 方向划痕后形成宽度约0.65mm的磨痕带，白光干涉测得最大深度约80nm，整体仍保持近似平坦；更重要的是，磨痕内未观察到明显的解理面或脆性断裂痕迹，提示划痕过程中以塑性主导机制为主。SPM显示磨痕区粗糙度上升（平均粗糙度约0.8nm，RMS约1.2nm），但这并非“开裂式破坏”，而是与磨粒/摩擦作用相关的微观起伏。截面 ABF 显示在磨痕亚表层引入了大量位错：一部分位错与 (001) 面平行分布，同时出现位错环等暗衬度结构；论文估算划痕诱导位错密度约为 5×1013m-2。
图2a 为磨痕电镜图（标注划痕方向[100]）；图2b 为白光干涉三维形貌；图2c为磨痕深度剖面（标注0.65mm宽、~80nm深）；图2e–f为截面 ABF 显示亚表层位错分布并以箭头标出；图2g–h 为磨痕表层非晶/纳米晶层仍存在且厚度近似不变的HRTEM证据。
真正体现“位错工程价值”的，是后续局部加载行为的系统对比。研究采用纳米压痕在同一块样品上分别测试参考区与磨痕区（最大载荷5-10mN），得到了极具说服力的“曲线信号 + 形貌证据”双重对照：在未划痕参考区，载荷-位移曲线出现清晰的首个pop-in（约0.1mN附近的位移突跳），这通常对应从纯弹性进入弹塑性、并与位错形核/突发滑移或裂纹启动相关；在更高载荷下还会出现后续 pop-in，提示多滑移系激活或裂纹起始。相应地，SEM/形貌图显示参考区压痕周围出现沿[010]、[100] 等方向扩展的微裂纹，且随载荷升高裂纹更明显、长度更长。与之形成鲜明对照的是磨痕区：载荷-位移曲线不再出现 pop-in，压痕形貌中亦未观察到裂纹，这意味着材料在种位错后更容易进入连续、稳定的塑性变形通道，避免了“突跳式失稳”和“解理式开裂”。
图3a为参考区不同载荷P–h曲线并放大显示首个pop-in与后续pop-in；图3b为磨痕区P-h 曲线并标注“无pop-in”；图3c、3d分别为两区域在5-10mN下的典型压痕形貌，参考区以黄色箭头标裂纹，磨痕区无裂纹。
更令人关注的是，增韧并未以“软化”为代价。通过Oliver-Pharr方法从P-h曲线反演纳米力学参数，论文给出了清晰的量化结果：参考区硬度约12.9±0.1GPa、弹性模量约204±1GPa；磨痕区硬度提升至16.5±1.0GPa、弹性模量小幅提升至 219±5 GPa。与此同时，参考区首个pop-in对应的最大剪切应力可估算为约6.9GPa，而磨痕区由于缺少pop-in事件呈现“更平稳的弹塑性过渡”。这些结果共同指向一个重要结论：机械种位错不仅能抑制裂纹，还能通过更复杂的缺陷相互作用提高局部抗塑性变形能力，表现为显著硬化。
为了把“现象”变成“机制”，研究进一步开展了压痕后截面TEM 的事后分析。参考区在10mN压痕后可见多条滑移带延伸至约 730nm深，并观察到沿特定晶面形成的层错（SFs）与晶格畸变，同时在压痕边缘应力集中处出现沿（200）/（100）等相关晶面的解理微裂纹，这对应了“脆性材料在局部高应力下裂纹先行或与有限塑性并存”的经典图景。相比之下，磨痕区压痕后的变形特征更“塑性化”：滑移带仍会在多个晶面上激活，但位错穿透深度降低到约640nm，反映出更强的位错相互作用与障碍效应；更关键的是，磨痕区压痕后未观察到参考区那类清晰的微裂纹，而是出现更高密度的层错、更显著的孪晶以及多滑移系耦合产生的“kink”等复杂结构，这些缺陷共同消耗外加功、释放应力集中，从而把能量从“裂纹扩展”转移到“增韧机制”。
图4为参考区压痕后ABF概览、衍射与滑移面指认，并在图4g标出沿（100）等晶面的微裂纹。
图5为磨痕区压痕后 ABF 概览（黄色箭头标预制位错）、衍射与滑移面指认，并在图5g标出纳米孪晶/密集层错区域，强调“无裂纹+增塑”。
在位错结构标定上，论文给出了较为严谨的晶体学推断路径：由于单一g向量的不可见性不足以用传统g·b=0判据唯一确定Burgers矢量，作者结合两束成像可见性条件、候选b的排除、以及在划痕等效法向力（约5N）与切向摩擦力（约0.5N）共同作用下的Schmid 因子分析，最终确定划痕诱导的平行位错线与 (011) 和 (0-11) 面滑移迹线相匹配，对应(011)[01-1] 与/或(0-11)[011] 滑移系的刃型位错；并系统汇总了文献中β-Ga2O3可能的滑移系、来源（生长缺陷/机械过程等）以及在划痕等效载荷条件下的Schmid因子，说明为何某些滑移系更可能被激活。
图6a为不同区轴与g向量下位错可见性对比；图6b为球形压头划痕下法向/切向力及位错/滑移系示意；图6c为立体投影中滑移迹线与位错走向对应关系。
综合上述证据，论文在讨论与结论部分给出了清晰的“机制闭环”：在参考区，缺少可用的预制位错源，局部高应力下更容易以突发位错形核与解理开裂的方式释放能量；在磨痕区，预制位错作为“位错增殖与运动的种子”，可通过Frank–Read 等机制与交滑移等过程更容易触发位错倍增，并且在β-Ga2O3这类层错/孪晶能较低的体系里，位错还可能成为层错与孪晶等平面缺陷的异质形核位点，从而在压痕过程中更早、更密集地激活SFs、twins与多滑移带协同变形，持续耗散机械功、缓解应力集中并钝化裂纹扩展；与此同时，更复杂、更高密度的缺陷网又会“钉扎”位错运动，提高进一步塑性变形阻力，宏观表现为硬度提升。
从材料设计与器件工程角度看，该工作提供了一个具有推广潜力的启示：对于像β-Ga2O3这样“本征脆、难以室温形核位错”的功能氧化物半导体，可以用相对简单、可控的机械过程在表/亚表层实现位错工程，显著改善局部抗裂能力与稳定塑性承载，为晶圆加工、微纳制造与可靠性提升打开新思路。当然，作者也审慎指出，缺陷（位错、层错、孪晶等）可能对反向漏电与击穿等电学指标产生影响，未来需要通过缺陷空间分布、取向选择与工艺路径的更精细设计，在“力学可靠性增益”与“功能性能损失”之间寻求更优平衡。
