概 述 

无定型碳化硅(a-Sic)的结构及机械性能预测

工业应用

半导体工业，光电设备，抗反射涂层，膜材料

挑战

无定性碳化硅(a-Sic)材料的生成

‍

结构及机械性能预测

模拟工作

SiC晶体退火生无定型Sic材料

沿 z 轴压缩晶胞

获取a-SiC、Si及钻石 C 的结构及机械性能

模拟结果

无定型碳化硅材料通过3C-SiC晶体退火生成。利用MAPS计算得到结构及机械性能，且与前人的实验及理论数据一致。

 类 型 

工业应用

电子

软件

CIassicaI

   AMORPHOUS BUILDER

   LAMMPS ATOMISTIC

Engineering

 MAPS

性质

机械性能

应用

半导体

碳化硅 (SiC)在高温、高频、高能量光电设备领域是一类非常有前景的半导体材料。在多型SiC中，无定型合金态(a-SiC)的多种特定引起了极大的研发关注:扩散能垒性能、带隙可调、p-及n-掺杂、导电性、氢源及掺杂物、表面钝化、热稳定性及应力调谐。无定型SiC可被用于抗腐蚀、抗刮擦的保护性涂层，生物分子及医疗应用，还可被用于太阳能电池、感光体、X-射线及色敏传感器及可见光LED的生产中。

挑战

由于SiC材料可通过非晶度调节改变其结构、机械性能及光学特性而吸引了巨大的研究兴趣。由于上述原因，通过计算手段对原子结构进行精确模拟所提供的a-SiC结构及电子特性信息对材料开发及特定应用来说极为重要。为对无定型结构进行完整描述，需了解其化学及拓扑排序，通过结构性质如化学排序及对分布函数，并将其与机械性能进行直接关联。SiC具有非常广的应力调谐参数范围。通过淬火融化方法，分子动力学（MD）模拟非常适于获取可靠的SiC原子结构，并进一步用于机械性能，如杨氏模量的预测。

模拟工作

利用MAPS中的LAMMPS模块进行分子动力学模拟，结合带有Si及C的Tersoff反应势能参数，从3C-SiC晶体结构生成a-SiC材料。MAPS软件的不同分析工具被用于对a-SiC的结构性之进行分析。利用MAPS机械性能分析得到的应力/应变曲线初始线性部分计算杨氏模量。

Figure 1：a-SiC沿z轴机械压缩后的初始（a）及最终（b）构象 

模拟结果

构建了晶胞参数为21.84 Å 的含512个原子混合锌结构的SiC晶体立方盒子。首先将结构升温至6000 K 200ps将碳化硅的初始构象进行无规处理。接下来将体系经6 ns的NVT模拟逐渐退火至300 K，再进行500 ps、300 K的NPT平衡。采用类似方法构建了Si及钻石C的晶体(50 x 50 x 50立方晶体)体系作为对比，并在300 K进行300 ps的平衡处理。

结构性质：计算平衡处理得到的a-SiC的最终构象的化学顺序参数()。c (resp cSi) 被定义为NC-C/NC-Si(resp NSi-Si/NC-Si)的C(resp Si)原子，其中NC-C为C-C 键的数量（resp NSi-Si 为Si-Si 键的数量），NC-Si 为C-Si 键的数量。该参数从完全有序的0至完全无序体系的1代表了体系的无序度。两个无序参数接近，C = Si = 0.48, 与Xue等人的结果非常一致¹。

通过对C-C, Si-Si及C-Si进行对分布函数的计算（见Figure 2）及分析对a-SiC材料进行进一步分析。对分布函数显示C-C对最大值约为1.47 Å ，C-Si对约为1.85 Å ，Si-Si 对约为2.35 Å， 与前人的理论研究数据有极好的一致性¹。

Figure 2：C-C、C-Si及Si-Si原子对的对分布函数

为进行机械性能模拟构建了2x2x2 的超胞并在300 K下平衡得到最终构象 (49 x 49 x 49 的立方晶胞)。采用NVT系综经5 ns 压缩晶胞参数c至初始值的75% (从49.0 Å至36.7 Å)，a与b的晶胞参数自由平衡。模拟的初始及终态结构如Figure 1的a、b所示。对Si与钻石C晶体体系采用类似的模拟方案。此外对a-SiC材料在NPT系综下进行了10 nsc晶胞参数95%的更高精度的压缩模拟。

机械性能：a-SiC、Si及钻石C的杨氏模量如表1所示。采用Tersoff 势能的分子动力学模拟可精确再现硅及钻石碳晶体杨氏模量的实验值。此外，材料的杨氏模量低于3C-SiC体系，与前人结果有好的一致性。

本案例所展示的模拟能经受实验验证且能够为新型材料的性能研究提供支持，对固体结构及机械性能的预测具有重要意义。

 ¹Xue K., Niu L.-S., Shi H.-J., J. App. Phys., 2008, 104, 053518.

 ²Xue K., Niu L.-S., J. App. Phys., 2009, 106 (6), 083505.

 ³Ivashchenko V.I., Turchi P.E.A., Shevchenko V.I., Phys. Rev. B, 2007, 75 (8) 085209.

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