半导体材料Si力学性能及点缺陷运动的分子动力学模拟

摘要

借助计算机，通过数值模拟对材料的晶体结构和性能进行预测与设计，是当今材料领域的主要研究方向。半导体材料Si以其力学性能优良、易于生长大尺寸高纯度晶体等优点，在众多领域都有着广泛的应用。但是，由于研究手段的限制，在微观结构、力学性能、缺陷运动方面仍有许多问题没有得到解决。本文应用分子动力学方法，使用GULP软件，研究了半导体材料Si的力学性能，缺陷运动，选题对于微观材料的研究具有重要的指导意义。 首先，回顾了半导体材料Si的研究和应用发展现状；论述了计算机模拟在材料设计中的重要性；对近年来Si的计算机模拟发展状况进行概括；阐述了分子动力学方法以及应用于Si分子动力学计算的相互作用势，对本文使用的模拟软件GULP与计算模块进行了简要的介绍。 其次，对不同势函数、不同势函数参数下的Si的内聚能和力学性能进行计算，并对势函数参数进行优化。分析表明：针对金刚石结构Si，Stillinger-Weber(SW)相互作用势比Tersoff,经验性对势获得更加稳定的结构(内聚能最低)，更能表现出Si的性能变化。并且，使用修正后的SW势函数参数，对内聚能、晶格常数、体积模量等力学性能进行计算，获得了更加合理和与实验值更为相符的计算结果。 第三，通过对Si中空位沿着<111>和<110>两个晶向运动的模拟分析，结果表明空位沿<111>晶向运动时，需要克服的势垒小。所以Si晶体中空位主要沿着<111>晶向运动。此外，采用修正后的SW势函数参数计算出的势垒(约在4.1eV左右)与文献报道的结果(范围为4.0eV～5.0eV)一致。 最后，探讨了Si分子动力学模拟时参数的确定方法。经过对比分析，获得了更为合适的的模拟参数：时间步长为0.001ps：选择L,eapfrog Verlet积分方法；体系大小为4×4×4；平衡步数为4000步。在此基础上，计算了常压下si的熔点，得出了与实验值相符的计算结果。

目录

文摘

英文文摘

声明

1引言

1.1研究背景

1.2近年来半导体材料Si的发展状况

1.2.1多晶硅的概述

1.2.2单晶硅的概述

1.3材料设计

1.3.1材料设计概述

1.3.2计算机在材料设计中的应用

1.4计算机模拟在半导体材料Si中的应用

1.4.1分子动力学

1.4.2蒙特卡洛方法

1.4.3第一性原理算法

1.4.4近年来半导体Si的计算机模拟发展状况

1.5本文内容

2分子动力学方法

2.1分子动力学方法的概述

2.2分子动力学方法的基本概念

2.3原子间作用势

2.3.1原子间作用势简介

2.3.2势函数的构造

2.3.3截断距离与长程相互作用

2.3.4原子间相互作用势举例

2.4周期性边界条件

2.5时间积分算法

2.5.1 Verlet算法

2.5.2速度Verlet算法

2.5.3蛙跳算法(1eap-frog Algorithm)

2.5.4预估校正(Predictor-corrector)算法

2.6分子动力学模拟的系综

2.6.1微正则系综(NEV)

2.6.2 正则系综(NVT)

2.6.3等温等压系综(NPT)

2.6.4等压等焓系综(NPH)

2.6.5巨正则系综(uVT)

3计算机模拟的软硬件环境

3.1几种常用的晶体结构计算软件

3.2计算硬件

3.3具体计算流程

3.3.1晶体结构参数及性能优化

3.3.2缺陷计算

3.3.3分子动力学模拟

4半导体材料Si的性能计算与优化

4.1半导体材料Si的晶体结构及力学常数优化

4.2 Si原子间相互作用势函数

4.2.1 Tersoff和Stillinger-Weber势函数

4.2.2 SW相互作用势函数参数的修正

4.3势函数及其参数的选择

4.4本章小结

5 Si中空位运动的模拟

5.1空位的产生

5.2空位的扩散和运动

5.2.1空位运动的微观理论

5.2.2空位的扩散机制

5.3研究缺陷的方法

5.4空位运动的模拟假设

5.5模拟结果及分析

5.6本章小结

6 Si分子动力学模拟中参数的选择

6.1分子动力学参数的确定

6.1.1平衡步数的确定

6.1.2时间步长的确定

6.1.3积分方法的确定

6.1.4模拟体系大小的确定

6.2分子动力学模拟实例

6.3本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢