分子动力学计算在材料位错研究中的应用

摘要

近年来，由于用分子束外延技术制作高品质的半导体元器件过程中产生的位错直接影响到材料的力学和电学特性，使得半导体位错的研究不仅具有理论意义，而且具有重要的应用前景。而用分子动力学研究位错的方法越来越被研究人员广泛的使用。 本文使用Stillinger-Weber势函数和周期性边界条件，通过在原子尺度上的分子动力学计算研究了60°位错的位错心能量和运动情况。首先提出了相对简单的建立位错偶极子的新方法：把混合型位错分解为刃位错和螺位错分量，依次加载原子的位移场，得到初始构型，再执行模拟退火过程以稳定位错心结构。考虑到所有的混型位错都可以视为刃位错和螺位错的合成，这一方法可能应用于其它材料中的不同类型的混型位错中。在此基础上，借助于最近得到的对周期性映像作用的评估理论，由不同大小的3维计算模型得到的位错心能量的平均值为0.43eV，这一结果不同于先前文献中的报导。另一方面，为研究位错运动在较大温度和压力范围下的表现，提出了相应解决方法来避免位错心在高温模拟环境时测量的不精确性。模拟结果显示位错速度相对于温度的变化曲线表现为波动形式。而且，位错的速度随模拟温度的升高而降低，这一结果与声子拖拽模型相吻合。速度对于温度的这种变化趋势在低压力模拟时尤其明显。因为低压力下的速度曲线表现出更剧烈的起伏，而且下降的速度也更快。

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1外延生长中的失配位错

1.2钻石结构中的位错

1.3计算机分子模拟

1.3.1大分子、生化体系的模拟

1.3.2含固体材料的界面的模拟

1.3.3内米受限体系的模拟

1.3.4极端条件下的模拟

1.3.5结合不同尺度的模拟技术

1.3.6采用并行计算进行分子模拟

1.4分子动力学

1.5分子动力学在材料研究中的应用

1.5.1计算材料学

1.5.2用分子动力学研究位错

1.6本文的研究内容及结构

第2章基本理论

2.1位错理论

2.1.1材料中的缺陷

2.1.2位错和螺位错

2.1.3柏氏回路和柏氏矢量

2.1.4用柏氏矢量定义位错类型

2.2直位错的弹性场和能量

2.2.1螺位错的弹性场和能量

2.2.2刃位错的弹性场和能量

2.3位错受力

2.4位错运动

2.4.1刃位错和螺位错滑移

2.4.2位错攀移

2.4.3位错的交割

2.5位错理论的新发展

2.6经典分子动力学方法

2.6.1常用势函数

2.6.2积分算法

2.7边界可变的分子动力学方法

2.8周期性映像作用

2.9本章小结

第3章计算模型和结果

3.1建立位错偶极子

3.1.1位错心成型和势函数的关系

3.1.2异号位错的湮灭过程

3.2消除周期性作用

3.2.1位错间的相互作用能

3.2.2位错心的能量

3.3位错运动规律

3.3.1特殊的计算模型

3.3.2解决位错心测不准问题的方法

3.3.3位错运动与压力和温度的关系

3.4本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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致谢