概 述 

無定型碳化硅(a-Sic)的結構及機械性能預測

工業應用

半導體工業，光電設備，抗反射涂層，膜材料

挑戰

無定性碳化硅(a-Sic)材料的生成

?

結構及機械性能預測

模擬工作

SiC晶體退火生無定型Sic材料

沿 z 軸壓縮晶胞

獲取a-SiC、Si及鉆石 C 的結構及機械性能

模擬結果

無定型碳化硅材料通過3C-SiC晶體退火生成。利用MAPS計算得到結構及機械性能，且與前人的實驗及理論數據一致。

 類 型 

工業應用

電子

軟件

CIassicaI

   AMORPHOUS BUILDER

   LAMMPS ATOMISTIC

Engineering

 MAPS

性質

機械性能

應用

半導體

碳化硅 (SiC)在高溫、高頻、高能量光電設備領域是一類非常有前景的半導體材料。在多型SiC中，無定型合金態(a-SiC)的多種特定引起了極大的研發關注:擴散能壘性能、帶隙可調、p-及n-摻雜、導電性、氫源及摻雜物、表面鈍化、熱穩定性及應力調諧。無定型SiC可被用于抗腐蝕、抗刮擦的保護性涂層，生物分子及醫療應用，還可被用于太陽能電池、感光體、X-射線及色敏傳感器及可見光LED的生產中。

挑戰

由于SiC材料可通過非晶度調節改變其結構、機械性能及光學特性而吸引了巨大的研究興趣。由于上述原因，通過計算手段對原子結構進行精確模擬所提供的a-SiC結構及電子特性信息對材料開發及特定應用來說極為重要。為對無定型結構進行完整描述，需了解其化學及拓撲排序，通過結構性質如化學排序及對分布函數，并將其與機械性能進行直接關聯。SiC具有非常廣的應力調諧參數范圍。通過淬火融化方法，分子動力學（MD）模擬非常適于獲取可靠的SiC原子結構，并進一步用于機械性能，如楊氏模量的預測。

模擬工作

利用MAPS中的LAMMPS模塊進行分子動力學模擬，結合帶有Si及C的Tersoff反應勢能參數，從3C-SiC晶體結構生成a-SiC材料。MAPS軟件的不同分析工具被用于對a-SiC的結構性之進行分析。利用MAPS機械性能分析得到的應力/應變曲線初始線性部分計算楊氏模量。

Figure 1：a-SiC沿z軸機械壓縮后的初始（a）及最終（b）構象 

模擬結果

構建了晶胞參數為21.84 ? 的含512個原子混合鋅結構的SiC晶體立方盒子。首先將結構升溫至6000 K 200ps將碳化硅的初始構象進行無規處理。接下來將體系經6 ns的NVT模擬逐漸退火至300 K，再進行500 ps、300 K的NPT平衡。采用類似方法構建了Si及鉆石C的晶體(50 x 50 x 50立方晶體)體系作為對比，并在300 K進行300 ps的平衡處理。

結構性質：計算平衡處理得到的a-SiC的最終構象的化學順序參數()。c (resp cSi) 被定義為NC-C/NC-Si(resp NSi-Si/NC-Si)的C(resp Si)原子，其中NC-C為C-C 鍵的數量（resp NSi-Si 為Si-Si 鍵的數量），NC-Si 為C-Si 鍵的數量。該參數從完全有序的0至完全無序體系的1代表了體系的無序度。兩個無序參數接近，C = Si = 0.48, 與Xue等人的結果非常一致¹。

通過對C-C, Si-Si及C-Si進行對分布函數的計算（見Figure 2）及分析對a-SiC材料進行進一步分析。對分布函數顯示C-C對最大值約為1.47 ? ，C-Si對約為1.85 ? ，Si-Si 對約為2.35 ?， 與前人的理論研究數據有極好的一致性¹。

Figure 2：C-C、C-Si及Si-Si原子對的對分布函數

為進行機械性能模擬構建了2x2x2 的超胞并在300 K下平衡得到最終構象 (49 x 49 x 49 的立方晶胞)。采用NVT系綜經5 ns 壓縮晶胞參數c至初始值的75% (從49.0 ?至36.7 ?)，a與b的晶胞參數自由平衡。模擬的初始及終態結構如Figure 1的a、b所示。對Si與鉆石C晶體體系采用類似的模擬方案。此外對a-SiC材料在NPT系綜下進行了10 nsc晶胞參數95%的更高精度的壓縮模擬。

機械性能：a-SiC、Si及鉆石C的楊氏模量如表1所示。采用Tersoff 勢能的分子動力學模擬可精確再現硅及鉆石碳晶體楊氏模量的實驗值。此外，材料的楊氏模量低于3C-SiC體系，與前人結果有好的一致性。

本案例所展示的模擬能經受實驗驗證且能夠為新型材料的性能研究提供支持，對固體結構及機械性能的預測具有重要意義。

 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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