結合杰克遜界面理論、分子動力學模擬（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行研究,包括界面自由能變化、結構變化和生長位置吸附能等。通過杰克遜界面理論計算,發(fā)現(xiàn)（100）界面晶相原子和流體相原子在表面各占約50%時吉布斯自由能達到極小值,而（111）界面在表面占比約0%或100%時達到極小值,說明當熱力學平衡時,（100）面趨向于粗糙面,（111）面趨向于光滑面;分子動力學模擬顯示,隨著生長的進行,初始光滑的固液界面在（100）面上會逐漸轉變?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,因為（100）面始終為粗糙面生長;DFT計算發(fā)現(xiàn),（100）面上的所有生長位置吸附能接近,可以實現(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階處才能進行層狀生長。 

【文章來源】：人工晶體學報. 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于x的函數(shù)圖

所有計算均在Forcite模塊中進行。在模擬硅晶體生長時,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方向上都處于一個標準大氣壓的狀態(tài),溫度則使用Berendsen法進行控制[1]。體系采用NPT系綜,原子間相互作用勢使用Tersoff勢函數(shù)進行計算,運動方程采用Verlet算法進行求解,時間步長設置為1 fs。由于在較小和較大過冷度情況下,界面形貌可能會發(fā)生轉變,因此本文選取30 K和280 K過冷度進行研究,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]中硅的熔點由1 687 K增加到2 480 K,所以生長溫度分別設置為2 450 K和2 200 K。圖3和圖4示出利用分子動力學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,隨著時間的推移固液界面都不斷向熔體內部推進。但沿(100)面和(111)面生長時,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,隨著生長的進行,(100)面界面逐漸轉變?yōu)椴灰?guī)則界面,晶體原子和熔體原子在厚度大約為幾個原子間距的過渡層中交錯排列;而(111)面界面則顯得相對光滑,當一層熔體原子幾乎都轉變?yōu)榫w原子后,界面才向前推移進行下一層的生長。

在2 450 K溫度下(圖3),(100)面沒有因為過冷度的減小而轉變?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時有明顯增加。這表明(100)和(111)面的界面形貌不會因為過冷度的變化而發(fā)生轉變。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,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階或位錯進行側面生長,生長速率較慢。圖4 2 200 K溫度下(100)面(左)和(111)面(右)生長過程晶體結構演變過程

【參考文獻】：
期刊論文
[1]Mg-Al合金熔體中固液界面結構的分子動力學研究[J]. 熊朝,李克,周耐根.  原子與分子物理學報. 2019(01)
[2]Molecular dynamics study of anisotropic growth of silicon[J]. 周耐根,劉博,張弛,李克,周浪.  Chinese Physics B. 2016(07)
[3]應變對硅晶體生長影響的分子動力學模擬研究[J]. 吳小元,張弛,周耐根,周浪.  人工晶體學報. 2014(12)
[4]硅熔化特性的分子動力學模擬——不同勢函數(shù)的對比研究[J]. 周耐根,胡秋發(fā),許文祥,李克,周浪.  物理學報. 2013(14)
[5]Si表面吸附GaN的第一性原理研究[J]. 李煒,陳俊芳,王騰,張洪賓,郭超峰.  材料導報. 2009(16)
[6]《晶體生長的物理基礎》[J]. 施仲堅.  應用聲學. 1983(02)

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 2006



本文編號：3117009