6H-SiC位移损伤的分子动力学模拟

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西安电子科技大学
6H-SiC作为新一代低损耗元件，广泛应用于光电器件、电子器件等领域，尤其是在高温强辐射环境下。辐射会导致材料产生大量缺陷，形成永久性位移损伤，导致性能下降或失效。本文采用分子动力学方法研究了缺陷的空间分布以及温度和PKA能量对点缺陷各种性质的影响。主要贡献是6H-SiC晶体中缺陷的演变， PKA能量和温度对缺陷分布和点缺陷数量的影响。本文获得了PKA入射后6H-SiC晶体中点缺陷的空间分布，计算了4种能量PKA下的复合率，以及温度和入射PKA能量对缺陷数量、复合率的影响研究了空位簇和稳态空位缺陷率。结果表明，稳态缺陷数随着入射PKA能量的增加呈线性增加，温度和能量对缺陷产生和团簇率的影响不显着。
一、简介
随着科学的飞速发展，迫切需要在一些极端条件下（如高温和强辐射）使用的材料。由于其优异的物理特性，如高导电性、高熔点、高导热性、高击穿电压和高饱和电子转移率，由碳化硅(SiC)晶体制成的器件可用于广泛的应用如航天、石化、食品加工、汽车制造、核电站等。碳化硅（SiC）多型体由于构型不同而具有不同的物理性质和不同的应用。 6H-SiC晶体是一种宽带隙材料，这意味着由6H-SiC制成的电子器件可以在高温和高放射性环境下可靠高效地工作。在离子辐照6H-SiC无序和非晶化的研究中， Weber、Heera等人进行了很多实验。并通过卢瑟福背散射光谱/沟道和透射电子显微镜研究重离子注入6H-SiC的再结晶和非晶化。和重离子。至于仿真，很多研究人员都把目光放在了3C-SiC上，而6H-SiC总是被排除在外。到目前为止，邓发明基于密度泛函微扰理论，利用第一性原理和赝势法计算了6H-SiC晶体在强激光照射下的电子性质，并分析了6H-SiC晶体的能带结构和态密度。唐超利用经典分子动力学模拟和模拟退火技术研究了石墨烯结构在6H-SiC（000（1）over bar）表面的生长过程。
为了了解质子辐照6H-SiC的非晶形成过程和原子级缺陷的状态，进行了分子动力学模拟以模拟点缺陷和Si PKA（Primary Knock-on Atoms）。近20年来， MD被广泛用于原子尺度模拟， MD的时间步长小于1 fs ，可以提供级联碰撞下系统的所有演化细节。利用MD ，得到了不同入射PKA能量和环境温度下的缺陷复合率、缺陷数量、点缺陷的空间分布和缺陷簇的比例。
2仿真模型与方法
使用具有恒定体积和周期性边界条件的LAMMPS进行分子动力学模拟以模拟无限体的主体。模拟分为两部分，一是级联碰撞发生的模拟域，二是恒温区，保证模拟域在一定温度下。恒温器的厚度取决于系统尺寸，此外，为了避免在模拟开始时人为减少PKA及其邻居的能量，速度缩放恒温器应用于立方体的所有侧面，除了PKA存在的顶层（最顶层（001）原子平面）。此外，选择Teroff/ZBL势函数来描述原子之间的相互作用，因为它与实验值准确吻合。系统原理图如图1所示。
为了确定系统的大小，通过SRIM计算了用不同高能质子照射的SiC晶体中的初级碰撞原子(PKA) 。结果表明， PKA的类型主要为Si离子和C离子，动能范围为0～10 keV 。众所周知， Si原子的半径比C原子的半径大，这意味着Si与模拟系统中的原子发生碰撞的概率更高。更重要的是， Si原子的质量比C原子大，碰撞发生时会传递更多的能量。因此，对于相同的能量， C原子会在系统中走得更远，传递到系统的能量就更少，也就意味着相应地产生的点缺陷也更少。因此，为了更快速有效地进行模拟，本次模拟选择了Si作为PKA 。然后选择不同的PKA能量(1 2 5 10 keV)来模拟PKA能量对点缺陷产生的影响。最后，通过SRIM在SiC中获得不同能量下Si PKA的范围，如图2所示。为了确保没有原子移出边界，以双离子范围附近作为不同PKA能量下的系统尺寸.

6H-SiC位移损伤的分子动力学模拟

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