碳化硅中点缺陷对热传导性能影响的分子动力学研究

刘创

摘要：近年来，随着社会的发展，我国的化工工程建设的发展也有了改善。碳化硅（SiC）由于其优异性能，已广泛运用于核技术领域。在辐照环境下，载能入射粒子可使材料中的原子偏离晶体格点位置，进而产生过饱和的空位、间隙原子、错位原子等点缺陷，这些缺陷将改变材料的热物性能，劣化材料的服役性能。因此，本文利用平衡分子动力学方法（Green-Kubo方法）采用Tersoff型势函数研究了点缺陷对立方碳化硅（β-SiC或3C-SiC）热传导性能的影响规律。研究过程中考虑的点缺陷包括：Si间隙原子（SiI）、Si空位（SiV）、Si错位原子（SiC）、C间隙原子（CI）、C空位（CV）和C错位原子（CSi）。研究结果表明，热导率（λ）随点缺陷浓度（c）的增加而减小。在研究的点缺陷浓度范围（点缺陷与格点的比例范围为0.2%～1.6%），额外热阻率（ΔR=Rdefect-Rperfect，R=1/λ，Rdefect为含缺陷材料的热阻率，Rperfect为不含缺陷材料的热阻率）与点缺陷的浓度呈线性关系，其斜率为热阻率系数。研究表明，空位和间隙原子的热阻率系数高于错位原子的热阻率系数;高温下点缺陷的热阻率系数高于低温下点缺陷的热阻率系数;Si空位和Si间隙原子的热阻率系数高于C空位和C间隙原子的热阻率系数。这些结果有助于预测及调控辐照条件下碳化硅的热传导性能。

关键词：碳化硅中点缺陷;热传导性能影响;分子动力学研究

引言

碳化硅（SiC）是一种新型宽带隙半导体材料，具有优秀的物理化学性质，并且在高温、高频和高功率器件领域得到了广泛的应用。晶体结构分析表明，SiC具有250多种同型异构体，工业上制造半导体时通常使用3C-SiC，4H-SiC，6H-SiC.3C-SiC是C-Si双原子层按照ABC的堆垛顺序排列，4H-SiC是C-Si双原子层按照ABCB的堆垛顺序排列，6H-SiC是C-Si双原子层按照ABCACB的堆垛顺序排列。其中4H-SiC是这三种常用半导体中带隙最宽，电子迁移率最高，符合大功率电子器件的需求。

1点缺陷对热导率的影响

SiC材料在辐照环境下服役，将受到中子和裂变碎片等载能粒子轰击，引起材料中格点原子离位，进而产生过饱和不同种类的点缺陷。点缺陷的种类和浓度受到载能粒子（能量、通量和剂量等）、SiC材料状态（结构）和其他服役条件（温度和压力等）等因素的影响。为了研究点缺陷类型及其浓度对3C-SiC热传导性能的影响，我们针对不同的点缺陷类型，构建了不同点缺陷浓度的超胞。根据前文的参数设置及计算流程，计算了不同类型点缺陷在不同浓度下的热导率。可以发现随着点缺陷浓度增加，SiC材料的熱导率（λ）下降。当然不同类型的点缺陷，对应超胞的热导率数值不同，这是由于不同类型点缺陷对声子的散射行为的差异造成的。仅影响热导率数值的大小。另外研究过程中还发现间隙原子构型（对于本文使用的Tersoff势函数，C间隙的稳定构型为C+-C<100>，Si间隙的最稳定构型为Si+-C<100>）将影响超胞的热传导行为，dumbbell间隙轴向（即其中一个<100>取向）的热导率要小于横向（即另外两个<100>取向）的热导率。SiC热传导的主要载体是声子，在温度高的区域晶格振动具有更大的振幅和更多的模式，即声子数更多，这些声子将传递至低温区域，然而声子间存在相互作用，传递过程将发生碰撞，在材料中引入点缺陷，也将影响声子的传递，声子会与缺陷发生碰撞，降低声子寿命。

2SiC导热性的影响因素

SiC的导热性主要受其晶体缺陷的影响，晶体缺陷包括SiC的二次相和晶体边界等。SiC二次相的比例取决于烧结添加剂的数量和组成，晶体边界的性质取决于烧结助剂的组成成分及烧结条件。

2.1多型体对SiC导热性的影响

热压条件下烧结得到的SiC聚集体的导热性会随SiC多型体的类型以及浓度不同而有很大改变，并且对温度有一定的依赖性。在2000℃下热压与足够的Al2O3烧结助剂条件下得到具有4H、3C-SiC多型体的聚集体。研究发现，在室温下3C-SiC多型体浓度越高的聚集体，其导热性越高。随着4H多型体浓度的增加，聚集体的导热率明显下降。这可能是在热压过程中氧化物烧结添加剂固溶到3C-SiC中导致转化为4H-SiC，因为存在于晶格中的氧会产生额外的硅空位，这些空位导致声子散射。此外，在低温下，不同浓度的4H和3C-SiC多型体组成的SiC聚集体的热导率随温度的升高而降低，但是在高温下这种改变不明显。这是由于声子与声子、声子与缺陷之间的相互作用导致声子平均自由程显著下降，从而使导热率下降;而在高温下，声子的平均自由程为常数，导热率基本保持稳定。

2.2微结构对SiC导热性的影响

材料表面和内部的微结构对导热性具有重要影响。例如，反应结合SiC（RBSC）复合材料的导热性降低主要是因为二次相、晶体尺寸、密度等结构缺陷引入的热阻所致。另外，温度和退火热处理对导热性也有一定的影响，因为温度会诱导晶体缺陷和相变的变化。

2.3孔隙对SiC导热性的影响

基于固体材料的导热机理，孔隙会严重影响声子的传输，从而导致其导热性随着孔隙率的增加而降低。例如，孔隙作为C-SiC复合材料的固有结构缺陷，对其导热性有着重要影响。热扩散和热辐射是C-SiC复合材料导热的主要媒介。通过氧化碳相将孔隙引入C-SiC复合材料，研究发现，随着温度的升高，热扩散率迅速下降。这是由于声子的振动频率加快，从而增加了声子碰撞的概率，声子平均自由程减小，导热性降低。孔隙对热扩散率的影响主要与孔的数量（即孔隙率）有关。在相同温度下，C-SiC复合材料的热扩散率随孔隙率的增加而缓慢降低，说明孔隙率削弱了C-SiC的热扩散率。同时对于C-SiC复合材料，本征结构主要是碳纤维、热解碳（PyC）相、SiC基体和SiC涂层。当PyC相和碳纤维逐渐被氧化消失时，消失的碳相会改变C-SiC的微观结构和化学成分，主要是增加了孔隙率和减少导热路径，从而引起声子散射导致热扩散率下降。另外，C-SiC中孔隙对热辐射也有很大影响。不同位置的孔隙对热辐射的影响也不同，位于C-SiC表面上的孔隙改善了热辐射，但位于内部的孔隙会吸收并反射了底部的热辐射，从而降低了热辐射。

参考文献

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[2]张春红，张忠政，覃信茂，等.掺杂对二维SiC材料光电性质的影响[J].光电子·激光，2018，29（9）：975-981.