单晶硅作为性能良好的半导体材料,有着较为完善的制备技术,是大规模集成电路和太阳光伏电池的基础。获取单晶硅的主要方法是对熔融高纯硅材料进行凝固,并通过熔体的过冷度来控制晶体的生长。由于晶体的质量直接影响光伏电池和芯片的效率,而晶体的熔化和生长行为及微观结构决定了晶体的各种性质,因此研究单晶硅熔化和生长的基本机制和规律,以不断提高所获得晶体的质量,对以硅占主导的光伏器件的研发有着非常重要的指导作用。本文利用分子动力学模拟研究了硅晶体的熔化和生长过程,讨论不同熔化模型对晶体熔化现象造成的差异,并对不同生长温度及不同生长面下晶体的生长行为进行分析;同时结合杰克逊界面模型、分子动力学和密度泛函理论推测出硅晶体沿不同晶面生长时的固液界面粗糙度。主要研究结果如下:1、当硅晶体进行体熔化时,熔化起始点会随机出现在晶体内部,无序区域会随时间迅速扩散,在较短时间内完成熔化过程;而进行表面熔化时,熔化的起始点则出现在晶体表面,随着时间的推移,熔化部分由表面逐渐向晶体内部延伸,直至熔化完成;此外表面熔化速率明显比体熔化速率更大,且通过拟合不同温度下的表面熔化速率,推算出硅晶体(100)面的热力学熔点低于2480 K。2、当硅晶体沿(100)面生长时,晶体在1800 K至2400 K温度范围内均能发生结晶反应,晶体生长速率随温度的降低先增后减(以熔点温度为起点),且在2200 K温度时达到最大值6.4 m/s;此外在2200 K温度下,晶体生长速率随时间的推移先增加后降低;通过对扩散系数、过冷度与生长速率间的关系进行分析,发现晶体生长速率受结晶驱动力(热力学)和原子扩散能力(动力学)的共同影响,在过冷度和扩散系数的综合作用下,才会出现生长速率先增后减的变化规律;最后利用W-F模型公式对不同温度下的生长速率进行推测,计算结果与模拟结果具有相同的变化趋势,但最大速率对应的温度值不同,表明原子扩散是主导硅晶体生长行为的主要因素。3、将硅晶体沿(111)面的生长情况与(100)面对比后,发现硅晶体存在生长的各向异性:在相同温度下(100)面的生长速率始终大于(111)面,但最大生长速率所对应的温度相同。此外还对不同晶面的动力学系数与晶面间距进行分析,结果表明硅晶体不符合BGJ模型对晶体生长行为的描述,且不同晶面的面间距并不是导致硅晶体出现生长各向异性的主要原因。4、通过杰克逊界面理论计算,发现(100)界面晶相原子和流体原子在表面各占约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)面趋向于粗糙界面,(111)面趋向于光滑界面;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,且都不会随着过冷度的变化发生转变;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,这也是导致(100)面的生长速率始终高于(111)面的主要原因。