关键词:
蒙特卡洛计算
分子动力学模拟
第一性原理计算
位移损伤
半导体材料
摘要:
在探索空间环境时,我国通过使用不同种类的材料制造航天器来对未知的太空领域进行探索,以增加国家在航天方面的实力,同时也为人们的基础生活提供了最基础的支持和保障,如定位导航系统的发展等。被捕获的质子和电子、银河宇宙射线、太阳宇宙射线等都存在于近地空间环境中,还有α粒子、多种重离子及各种介子等,这些不同能量的粒子都会导致暴露在环境中的航天器材料受到不同程度的损伤。
关于损伤机制,大家主要讨论的有总剂量电离效应、位移效应、单粒子效应三种。其中位移效应导致的位移损伤主要由高能粒子造成,这种情况下材料中会形成Frenkel缺陷对,即空位-间隙原子对,这些缺陷长期的迁移和积累会对半导体的形状、尺寸、电学性能、光学性能等造成严重的影响,具体表现为对材料内的载流子有效质量、载流子浓度以及迁移率的影响,最后导致材料的电学性能的退化。材料被辐照后产生辐照损伤,损伤过程不仅跨越了很长的时间尺度(从纳秒到秒),而且还能跨越很大的空间尺度(从纳米到厘米),对应着从原子碰撞开始到材料宏观性能改变的一系列复杂过程,而损伤导致的材料性能改变无疑将会显著影响航天器材料的使用寿命和稳定性。
本研究则通过蒙特卡洛方法、分子动力学模拟结合第一性原理计算完成了对半导体在空间环境下的位移损伤分布及剂量,点缺陷的分布及数量,以及最终对半导体中载流子变化以及线性光学特征变化进行了理论预测。我们首先使用了蒙特卡洛方法的粒子与重离子输运代码系统(PHITS)中位移损伤计算方法的两种模型:传统NRT模型(NRT-DPA)和非热复合校正模型(arc-DPA),最终arc-DPA模型的预测结果比传统的NRT模型低约1/3;我们还比较了在不同能量的质子照射下半导体内位移损伤的分布情况,并分析了两种模型之间的差异,以及不同能量质子辐照时硅半导体内的粒子通量能谱。在使用分子动力学模拟辐照后缺陷的产生和演化时,我们模拟了室温下10 keV的级联碰撞,通过对模拟结果进行后处理,我们分析了缺陷分布和数量的变化以及缺陷团簇的演化,其中点缺陷和空位缺陷团簇的数量都呈现出先增加后减少的趋势。最后,我们利用第一原理计算研究了引入缺陷后硅半导体的能带结构、态密度(DOS)、有效质量、介电常数、反射和透射能谱。为了获得更精确的带隙值,我们使用了HSE06杂化泛函,这样就不会低估带隙,而清晰的带隙有利于精确分析存在缺陷的半导体的能带结构。
计算结果表明,室温下10keV的级联碰撞所产生的点缺陷以及空位缺陷团簇数量随时间呈现出先增加后减少的趋势,并且辐照产生的空位缺陷导致硅半导体中电子和空穴有效质量降低。本研究在不同的时间跨度和空间尺度上完成了对辐照损伤的模拟计算,为今后对硅材料的研究使用提供了更充分的支持。