發(fā)布時(shí)間：2021-04-03 20:14

　　結(jié)合杰克遜界面理論、分子動(dòng)力學(xué)模擬（MD）和密度泛函理論（DFT）,對硅晶體（100）和（111）面生長過程中固液界面形貌進(jìn)行研究,包括界面自由能變化、結(jié)構(gòu)變化和生長位置吸附能等。通過杰克遜界面理論計(jì)算,發(fā)現(xiàn)（100）界面晶相原子和流體相原子在表面各占約50%時(shí)吉布斯自由能達(dá)到極小值,而（111）界面在表面占比約0%或100%時(shí)達(dá)到極小值,說明當(dāng)熱力學(xué)平衡時(shí),（100）面趨向于粗糙面,（111）面趨向于光滑面;分子動(dòng)力學(xué)模擬顯示,隨著生長的進(jìn)行,初始光滑的固液界面在（100）面上會(huì)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榇植诮缑?而（111）面則始終保持光滑界面生長;且在生長過程中,（100）面的生長速率明顯高于（111）面,因?yàn)椋?00）面始終為粗糙面生長;DFT計(jì)算發(fā)現(xiàn),（100）面上的所有生長位置吸附能接近,可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)生長,（111）面吸附能則存在明顯的差值,生長原子需要吸附在臺(tái)階處才能進(jìn)行層狀生長。 

【文章來源】：人工晶體學(xué)報(bào). 2020,49(05)北大核心

【文章頁數(shù)】：7 頁

【部分圖文】：

界面吉布斯自由能關(guān)于x的函數(shù)圖

所有計(jì)算均在Forcite模塊中進(jìn)行。在模擬硅晶體生長時(shí),體系在三維方向上均采用周期性邊界條件,并使用Anderson方法保持體系在各個(gè)方向上都處于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的狀態(tài),溫度則使用Berendsen法進(jìn)行控制[1]。體系采用NPT系綜,原子間相互作用勢使用Tersoff勢函數(shù)進(jìn)行計(jì)算,運(yùn)動(dòng)方程采用Verlet算法進(jìn)行求解,時(shí)間步長設(shè)置為1 fs。由于在較小和較大過冷度情況下,界面形貌可能會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變,因此本文選取30 K和280 K過冷度進(jìn)行研究,其中(100)面在280 K過冷度下生長速率最快,(111)面在不同過冷度下生長速率變化不大,因此也選擇該過冷度[16]。Tersoff勢函數(shù)[17]中硅的熔點(diǎn)由1 687 K增加到2 480 K,所以生長溫度分別設(shè)置為2 450 K和2 200 K。圖3和圖4示出利用分子動(dòng)力學(xué)模擬得到的固液界面形貌的變化過程。不管是(100)面還是(111)面都發(fā)生了生長,隨著時(shí)間的推移固液界面都不斷向熔體內(nèi)部推進(jìn)。但沿(100)面和(111)面生長時(shí),固液界面的形貌卻有所不同。在生長初期固液界面均為光滑界面,隨著生長的進(jìn)行,(100)面界面逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椴灰?guī)則界面,晶體原子和熔體原子在厚度大約為幾個(gè)原子間距的過渡層中交錯(cuò)排列;而(111)面界面則顯得相對光滑,當(dāng)一層熔體原子幾乎都轉(zhuǎn)變?yōu)榫w原子后,界面才向前推移進(jìn)行下一層的生長。

在2 450 K溫度下(圖3),(100)面沒有因?yàn)檫^冷度的減小而轉(zhuǎn)變?yōu)楣饣缑?在2 200 K溫度下(圖4),(111)面也沒有發(fā)生界面形貌的轉(zhuǎn)變,并且粗糙度沒有較大的變化,但(100)面粗糙度相較2 450 K時(shí)有明顯增加。這表明(100)和(111)面的界面形貌不會(huì)因?yàn)檫^冷度的變化而發(fā)生轉(zhuǎn)變。從圖3和圖4中均可以看出,(100)面生長速率明顯大于(111)面,這顯然與不同晶面的生長方式相關(guān),粗糙界面通常能夠連續(xù)生長,故生長速率較快,而光滑界面則是依靠臺(tái)階或位錯(cuò)進(jìn)行側(cè)面生長,生長速率較慢。圖4 2 200 K溫度下(100)面(左)和(111)面(右)生長過程晶體結(jié)構(gòu)演變過程

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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碩士論文
[1]透明模型合金宏微觀凝固模擬研究[D]. 曹一超.西北工業(yè)大學(xué) 2006



本文編號：3117009