宽禁带材料中辐射诱导电子的热化：第一性原理方法

本研究致力于模拟金刚石和$\beta$-Ga$_2$O$_3$中由电离辐射产生的高能载流子（电子和/或电子-空穴对）的热化。核/粒子物理与电子器件领域开发的计算工具分别可准确模拟高能（超过$\sim100$ eV）和低能（低于$\sim10$ eV）区间的载流子输运与热化。在这些能量区间之间，存在一个约10–100 eV的中间能量范围，我们称之为“10–100 eV间隙”，其中能量损失过程历来未被充分研究或理解。为弥补这一“间隙”，我们采用第一性原理方法（密度泛函理论）计算金刚石和$\beta$-Ga$_2$O$_3$直至$\sim100$ eV的能带结构，以及声子色散、载流子-声子矩阵元和动态介电函数。此外，利用一阶微扰理论（费米黄金定则/第一玻恩近似），我们计算了载流子-声子散射率和载流子能量损失率（碰撞电离与等离子体散射）。利用这些数据，我们通过蒙特卡洛技术求解半经典玻尔兹曼输运方程，模拟了100 eV电子及所生成电子-空穴对的热化。我们发现，金刚石和$\beta$-Ga$_2$O$_3$中电子热化分别在$\sim0.4$和$\sim1.0$ ps内完成，而空穴在两者中均在$\sim0.5$ ps内热化。我们还分别计算得到电子-空穴对产生能为12.87和11.24 eV。