多晶型是广泛存在于自然矿物和合成材料中的一种现象，具体是指同一物质在不同条件下形成不同晶体结构。这些多晶型通过其不同的晶体结构和理化性质为材料设计与性能优化提供了丰富的可能性。尽管X射线衍射（XRD）技术能够为不同多晶型的晶体结构提供统计平均的结果，但其在精细的原子结构解析上常常捉襟见肘。电子显微镜技术也无法直接解决复杂相三维原子结构的观察问题，导致解析和理解多晶型的晶体结构成为一大难题。Ga₂O₃作为一种典型的多晶型第四代半导体，具有广泛的应用前景，尤其在高功率、高性能半导体器件中具有重要意义。已知的Ga₂O₃存在多个晶态，除了最稳定的单斜相（β-Ga₂O₃）外，还包括菱方相（γ-Ga₂O₃）、立方相（δ-Ga₂O₃）、正交相（ε-Ga₂O₃）等。然而，直到2013年，才有实验团队通过中子衍射技术分析了γ-Ga₂O₃的晶体结构，发现Ga原子存在在晶格位点上的无序占据。这一结构呈立方对称性，对应的空间群为Fd-3m。然而，由于Ga原子的概率占据及其无序分布，γ-Ga₂O₃的结构分析和性能分析依旧非常复杂，给理论研究带来了不少挑战。

尽管已有一些研究尝试揭示γ-Ga₂O₃的结构，但传统的第一性原理计算方法通常依赖于对一假设的超原包中Ga位点的多种空位进行组合筛选。这些基于平均近似和穷举的计算方法在面对巨大的构型空间时常常显得力不从心。而且当假设的超原胞不包含真实构型空间最低的基态时，即使完全穷举，也无法找到最优解。魏苏淮教授团队通过自主发展的晶格映射与组合晶体结构搜索方法和蒙特卡洛模拟，首次发现γ-Ga₂O₃的真实结构其实是β-Ga₂O₃的无序形式。这一发现不仅对γ-Ga₂O₃的结构有了更准确的认识，也为研究其他多晶型材料的结构解析提供了新的思路和方法。此研究开发的晶体学映射方法可以广泛应用于相变路径的搜索和异相界面的构建，为理解和利用多晶型调控材料物性奠定了理论和结构基础。未来，随着这一研究方法的推广和应用，有望在多晶相材料的研究和应用领域中实现更多、更大的突破，为材料设计与物性调控提供新的研究范式。

图1.γ-和β-Ga_₂O_₃晶体结构。不同的颜色用以区分Ga原子可能的占位（8a, 16d, 16c, 48f的Wyckoff位点）。氧原子标记为粉红色。(a) γ-Ga_₂O_₃原胞。(b) β-Ga_₂O_₃原胞。(c) 通过矩阵变换得到的γ-Ga_₂O_₃超胞。(d) 矩阵变换得到的β-Ga_₂O_₃超胞。

图2.γ-和β-Ga_₂O_₃的映射关系。(a) γ相沿[010]方向的四层原子结构，分别标记为A、B、C和D。(b) γ相每一层中所有原子位点，其中最低能量的Ga占位用每层中的黑圈标出。(c)对应与β相沿[010]方向的四层原子结构，同样标记为A、B、C和D。(d) β相每一层的原子排列。