近日，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所李永钢研究员、曾雉研究员团队与北京计算科学研究中心黄兵研究员合作，发展了第一性原理驱动的多尺度模型框架，用于辐照半导体中深能级缺陷的多维度鉴定，解决了非平衡半导体缺陷原子起源及动力学演化的难题。相关成果以“Multidimensional defect identification of semiconductors in nonequilibrium”为题，发表在国际知名期刊Nature Communications上。

随着深空探测、核能应用和量子科技等需求的增长，确定半导体缺陷的原子起源对于缺陷调控及光电子器件优化至关重要。然而，半导体器件在工艺加工和高能粒子辐照环境下，会产生大量非平衡态缺陷。此类缺陷相对于平衡态缺陷的识别极具挑战性，现有的表征技术如深能级瞬态谱（DLTS）只能探测光电信号，无法解析缺陷的原子起源，而传统的平衡态缺陷理论也难以处理非平衡缺陷的多维特性。

为解决这些问题，研究团队打破传统的单维度分析方法，构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准鉴定和DLTS准确模拟的两大技术瓶颈，成功实现了辐照半导体中深能级缺陷的多维度鉴定及其演化机理揭示。团队首先运用该方法成功鉴定了中子辐照硅中的深能级缺陷，验证了方法的可靠性。并进一步鉴定了中子辐照第三代半导体4H-SiC中的深能级缺陷，解决了其原子起源的长期争议。研究还发现，由于不同温度下的缺陷动力学行为不同，缺陷类型会随着退火温度的变化而显著改变，这一发现颠覆了长期以来基于静态缺陷理论的认知。该工作有力推动了半导体非平衡缺陷理论的发展，并为半导体材料和器件性能的调控提供了重要指导，有望应用于抗辐照电子器件和固态量子比特设计等国家重点领域。

中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所博士后刘俊、博士研究生高扬和宁波东方理工大学博士后晏晓岚为论文共同第一作者，李永钢研究员、黄兵研究员和曾雉研究员为通讯作者。该工作得到国家自然科学基金、安徽省自然科学基金、科学挑战计划、中国科学院战略性先导科技专项和青年创新促进会的资助。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-65718-8?error=server_error

图1. 第一性原理驱动的辐照半导体深能级缺陷多维度鉴定的多尺度模型框架。

图2. 中子辐照硅中深能级缺陷的鉴定过程。

图3. 非平衡态下4H-SiC中深能级缺陷的多维度鉴定。