论文部分内容阅读
碳与硅是电子工业和半导体工业领域的重要材料。分子动力学中有很多用于硅与碳的相互作用势,它们在不同方面能够精确模拟材料的性能,但在硅与碳晶体结构的模拟上却有很多不足。为了在分子动力学模拟中获得硅与碳的金刚石结构,本文使用了双晶格（Double Lattice,DL）势的模型。双晶格势模型将Lennard-Jones势组合为两个描述面心立方晶格和一个描述两晶格间原子相互作用的势,用来描述模拟系统的晶体结构。本文将双晶格势用于硅与碳晶体结构分子动力学模拟,采用计算原子之间的距离和原子与其最近邻原子之间角度的分布函数来识别模拟系统的晶体结构,并与Tersoff势、Stillinger-Weber（SW）势、Environment-Dependent Interatomic Potential（EDIP）势、Charge Optimized Many-Body（COMB）势和Modified Embedded-Atom Method（MEAM）势的计算结果进行了对比。基于上述作用势,通过分子动力学模拟液态系统降温时的凝固过程计算晶格常数、结晶温度和弹性常数。结果表明,模拟液态系统降温时的凝固过程中只有DL势才能获得金刚石结构,模拟所得的晶格常数、结晶温度和弹性常数与实验数据相符合。通过改变DL势参数和模拟条件研究了影响模拟系统晶体结构的因素。结果表明基于DL势的系统在冷却速率较快时可得到金刚石结构,较慢时可得到纤锌矿结构。通过改变DL势中距离参数（原子间作用势为零的有限距离）的比值σu,可得到Cs Cl结构、Na Cl结构、ABO3结构和石墨结构,还可以通过改变模拟时间和截断半径分别得到α-石墨和β-石墨结构。基于DL势通过非平衡态分子动力学和平衡态分子动力学计算了硅与碳金刚石结构的热导率。结果表明,在300 K下,采用非平衡态分子动力学方法模拟硅纳米线的热导率为58.40±4.80 W/（m K）,碳纳米线的热导率为400±200 W/（m K）;采用平衡态分子动力学的方法模拟硅晶体的热导率为35.31±3.80 W/（m K）,碳晶体的热导率为746.20±212.32 W/（m K）,300 K下硅与碳晶体的热导率实验值分别为156 W/（m K）和2200 W/（m K）。本文的结果显示出DL势对硅与碳晶体结构的分子动力学模拟的有效性。