硅晶体生长固液界面形貌研究

发布时间：2021-04-03 20:14

　　结合杰克逊界面理论、分子动力学模拟（MD）和密度泛函理论（DFT）,对硅晶体（100）和（111）面生长过程中固液界面形貌进行研究,包括界面自由能变化、结构变化和生长位置吸附能等。通过杰克逊界面理论计算,发现（100）界面晶相原子和流体相原子在表面各占约50%时吉布斯自由能达到极小值,而（111）界面在表面占比约0%或100%时达到极小值,说明当热力学平衡时,（100）面趋向于粗糙面,（111）面趋向于光滑面;分子动力学模拟显示,随着生长的进行,初始光滑的固液界面在（100）面上会逐渐转变为粗糙界面,而（111）面则始终保持光滑界面生长;且在生长过程中,（100）面的生长速率明显高于（111）面,因为（100）面始终为粗糙面生长;DFT计算发现,（100）面上的所有生长位置吸附能接近,可以实现连续生长,（111）面吸附能则存在明显的差值,生长原子需要吸附在台阶处才能进行层状生长。 

【文章来源】：人工晶体学报. 2020,49(05)北大核心

【文章页数】：7 页

【部分图文】：

界面吉布斯自由能关于x的函数图

所有计算均在Forcite模块中进行。在模拟硅晶体生长时,体系在三维方向上均采用周期性边界条件,并使用Anderson方法保持体系在各个方向上都处于一个标准大气压的状态,温度则使用Berendsen法进行控制[1]。体系采用NPT系综,原子间相互作用势使用Tersoff势函数进行计算,运动方程采用Verlet算法进行求解,时间步长设置为1 fs。由于在较小和较大过冷度情况下,界面形貌可能会发生转变,因此本文选取30 K和280 K过冷度进行研究,其中(100)面在280 K过冷度下生长速率最快,(111)面在不同过冷度下生长速率变化不大,因此也选择该过冷度[16]。Tersoff势函数[17]中硅的熔点由1 687 K增加到2 480 K,所以生长温度分别设置为2 450 K和2 200 K。图3和图4示出利用分子动力学模拟得到的固液界面形貌的变化过程。不管是(100)面还是(111)面都发生了生长,随着时间的推移固液界面都不断向熔体内部推进。但沿(100)面和(111)面生长时,固液界面的形貌却有所不同。在生长初期固液界面均为光滑界面,随着生长的进行,(100)面界面逐渐转变为不规则界面,晶体原子和熔体原子在厚度大约为几个原子间距的过渡层中交错排列;而(111)面界面则显得相对光滑,当一层熔体原子几乎都转变为晶体原子后,界面才向前推移进行下一层的生长。

在2 450 K温度下(图3),(100)面没有因为过冷度的减小而转变为光滑界面;在2 200 K温度下(图4),(111)面也没有发生界面形貌的转变,并且粗糙度没有较大的变化,但(100)面粗糙度相较2 450 K时有明显增加。这表明(100)和(111)面的界面形貌不会因为过冷度的变化而发生转变。从图3和图4中均可以看出,(100)面生长速率明显大于(111)面,这显然与不同晶面的生长方式相关,粗糙界面通常能够连续生长,故生长速率较快,而光滑界面则是依靠台阶或位错进行侧面生长,生长速率较慢。图4 2 200 K温度下(100)面(左)和(111)面(右)生长过程晶体结构演变过程

【参考文献】：
期刊论文
[1]Mg-Al合金熔体中固液界面结构的分子动力学研究[J]. 熊朝,李克,周耐根.  原子与分子物理学报. 2019(01)
[2]Molecular dynamics study of anisotropic growth of silicon[J]. 周耐根,刘博,张弛,李克,周浪.  Chinese Physics B. 2016(07)
[3]应变对硅晶体生长影响的分子动力学模拟研究[J]. 吴小元,张弛,周耐根,周浪.  人工晶体学报. 2014(12)
[4]硅熔化特性的分子动力学模拟——不同势函数的对比研究[J]. 周耐根,胡秋发,许文祥,李克,周浪.  物理学报. 2013(14)
[5]Si表面吸附GaN的第一性原理研究[J]. 李炜,陈俊芳,王腾,张洪宾,郭超峰.  材料导报. 2009(16)
[6]《晶体生长的物理基础》[J]. 施仲坚.  应用声学. 1983(02)

硕士论文
[1]透明模型合金宏微观凝固模拟研究[D]. 曹一超.西北工业大学 2006



本文编号：3117009