碳化硅中點缺陷對熱傳導性能影響的分子動力學研究

劉創

摘要：近年來，隨著社會的發展，我國的化工工程建設的發展也有了改善。碳化硅（SiC）由于其優異性能，已廣泛運用于核技術領域。在輻照環境下，載能入射粒子可使材料中的原子偏離晶體格點位置，進而產生過飽和的空位、間隙原子、錯位原子等點缺陷，這些缺陷將改變材料的熱物性能，劣化材料的服役性能。因此，本文利用平衡分子動力學方法（Green-Kubo方法）采用Tersoff型勢函數研究了點缺陷對立方碳化硅（β-SiC或3C-SiC）熱傳導性能的影響規律。研究過程中考慮的點缺陷包括：Si間隙原子（SiI）、Si空位（SiV）、Si錯位原子（SiC）、C間隙原子（CI）、C空位（CV）和C錯位原子（CSi）。研究結果表明，熱導率（λ）隨點缺陷濃度（c）的增加而減小。在研究的點缺陷濃度范圍（點缺陷與格點的比例范圍為0.2%～1.6%），額外熱阻率（ΔR=Rdefect-Rperfect，R=1/λ，Rdefect為含缺陷材料的熱阻率，Rperfect為不含缺陷材料的熱阻率）與點缺陷的濃度呈線性關系，其斜率為熱阻率系數。研究表明，空位和間隙原子的熱阻率系數高于錯位原子的熱阻率系數;高溫下點缺陷的熱阻率系數高于低溫下點缺陷的熱阻率系數;Si空位和Si間隙原子的熱阻率系數高于C空位和C間隙原子的熱阻率系數。這些結果有助于預測及調控輻照條件下碳化硅的熱傳導性能。

關鍵詞：碳化硅中點缺陷;熱傳導性能影響;分子動力學研究

引言

碳化硅（SiC）是一種新型寬帶隙半導體材料，具有優秀的物理化學性質，并且在高溫、高頻和高功率器件領域得到了廣泛的應用。晶體結構分析表明，SiC具有250多種同型異構體，工業上制造半導體時通常使用3C-SiC，4H-SiC，6H-SiC.3C-SiC是C-Si雙原子層按照ABC的堆垛順序排列，4H-SiC是C-Si雙原子層按照ABCB的堆垛順序排列，6H-SiC是C-Si雙原子層按照ABCACB的堆垛順序排列。其中4H-SiC是這三種常用半導體中帶隙最寬，電子遷移率最高，符合大功率電子器件的需求。

1點缺陷對熱導率的影響

SiC材料在輻照環境下服役，將受到中子和裂變碎片等載能粒子轟擊，引起材料中格點原子離位，進而產生過飽和不同種類的點缺陷。點缺陷的種類和濃度受到載能粒子（能量、通量和劑量等）、SiC材料狀態（結構）和其他服役條件（溫度和壓力等）等因素的影響。為了研究點缺陷類型及其濃度對3C-SiC熱傳導性能的影響，我們針對不同的點缺陷類型，構建了不同點缺陷濃度的超胞。根據前文的參數設置及計算流程，計算了不同類型點缺陷在不同濃度下的熱導率。可以發現隨著點缺陷濃度增加，SiC材料的熱導率（λ）下降。當然不同類型的點缺陷，對應超胞的熱導率數值不同，這是由于不同類型點缺陷對聲子的散射行為的差異造成的。僅影響熱導率數值的大小。另外研究過程中還發現間隙原子構型（對于本文使用的Tersoff勢函數，C間隙的穩定構型為C+-C<100>，Si間隙的最穩定構型為Si+-C<100>）將影響超胞的熱傳導行為，dumbbell間隙軸向（即其中一個<100>取向）的熱導率要小于橫向（即另外兩個<100>取向）的熱導率。SiC熱傳導的主要載體是聲子，在溫度高的區域晶格振動具有更大的振幅和更多的模式，即聲子數更多，這些聲子將傳遞至低溫區域，然而聲子間存在相互作用，傳遞過程將發生碰撞，在材料中引入點缺陷，也將影響聲子的傳遞，聲子會與缺陷發生碰撞，降低聲子壽命。

2SiC導熱性的影響因素

SiC的導熱性主要受其晶體缺陷的影響，晶體缺陷包括SiC的二次相和晶體邊界等。SiC二次相的比例取決于燒結添加劑的數量和組成，晶體邊界的性質取決于燒結助劑的組成成分及燒結條件。

2.1多型體對SiC導熱性的影響

熱壓條件下燒結得到的SiC聚集體的導熱性會隨SiC多型體的類型以及濃度不同而有很大改變，并且對溫度有一定的依賴性。在2000℃下熱壓與足夠的Al2O3燒結助劑條件下得到具有4H、3C-SiC多型體的聚集體。研究發現，在室溫下3C-SiC多型體濃度越高的聚集體，其導熱性越高。隨著4H多型體濃度的增加，聚集體的導熱率明顯下降。這可能是在熱壓過程中氧化物燒結添加劑固溶到3C-SiC中導致轉化為4H-SiC，因為存在于晶格中的氧會產生額外的硅空位，這些空位導致聲子散射。此外，在低溫下，不同濃度的4H和3C-SiC多型體組成的SiC聚集體的熱導率隨溫度的升高而降低，但是在高溫下這種改變不明顯。這是由于聲子與聲子、聲子與缺陷之間的相互作用導致聲子平均自由程顯著下降，從而使導熱率下降;而在高溫下，聲子的平均自由程為常數，導熱率基本保持穩定。

2.2微結構對SiC導熱性的影響

材料表面和內部的微結構對導熱性具有重要影響。例如，反應結合SiC（RBSC）復合材料的導熱性降低主要是因為二次相、晶體尺寸、密度等結構缺陷引入的熱阻所致。另外，溫度和退火熱處理對導熱性也有一定的影響，因為溫度會誘導晶體缺陷和相變的變化。

2.3孔隙對SiC導熱性的影響

基于固體材料的導熱機理，孔隙會嚴重影響聲子的傳輸，從而導致其導熱性隨著孔隙率的增加而降低。例如，孔隙作為C-SiC復合材料的固有結構缺陷，對其導熱性有著重要影響。熱擴散和熱輻射是C-SiC復合材料導熱的主要媒介。通過氧化碳相將孔隙引入C-SiC復合材料，研究發現，隨著溫度的升高，熱擴散率迅速下降。這是由于聲子的振動頻率加快，從而增加了聲子碰撞的概率，聲子平均自由程減小，導熱性降低。孔隙對熱擴散率的影響主要與孔的數量（即孔隙率）有關。在相同溫度下，C-SiC復合材料的熱擴散率隨孔隙率的增加而緩慢降低，說明孔隙率削弱了C-SiC的熱擴散率。同時對于C-SiC復合材料，本征結構主要是碳纖維、熱解碳（PyC）相、SiC基體和SiC涂層。當PyC相和碳纖維逐漸被氧化消失時，消失的碳相會改變C-SiC的微觀結構和化學成分，主要是增加了孔隙率和減少導熱路徑，從而引起聲子散射導致熱擴散率下降。另外，C-SiC中孔隙對熱輻射也有很大影響。不同位置的孔隙對熱輻射的影響也不同，位于C-SiC表面上的孔隙改善了熱輻射，但位于內部的孔隙會吸收并反射了底部的熱輻射，從而降低了熱輻射。

參考文獻

[1]程萍，張玉明，張義門.4H-SiC晶體中VSi本征缺陷研究[J].人工晶體學報，2012，41（4）：1011-1014.

[2]張春紅，張忠政，覃信茂，等.摻雜對二維SiC材料光電性質的影響[J].光電子·激光，2018，29（9）：975-981.