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硅熔化与快速凝固过程的模拟研究

张世良  
【摘要】:硅材料是当代信息化社会最重要的功能材料之一,以硅为主体的功能材料的发展已经成为影响和决定时代发展的关键性因素。作为地壳中含量居第二位的元素,硅主要是以氧化物的形式存在的。而在单质硅的提纯和加工的过程中,熔化和凝固是重要的环节和手段。近年来,随着计算机模拟技术的成熟和发展,分子动力学模拟已经成为认识物质世界的一种崭新的研究手段,人类可以从微观的尺度或原子运动的视角去研究和理解材料的宏观性质,揭示硅在熔化与凝固过程中的物理变化和本质特征。 本文利用分子动力学模拟,系统研究了硅在熔化与凝固过程中的热力学行为和结构特征,并对其中的熔化机理,液相成核,液-液相变等细微过程进行了详细的研究和探索。综合比较了升温速度、冷却速度以及压强等外部因素对熔化与凝固过程的影响。 为保证分子动力学模拟的可靠性,本文首先对硅常用的三种势函数进行了对比研究,探索了不同势函数对计算所得的晶格参数、熔化过程中热力学性质和熔化后的液态结构的影响规律。经过综合对比,确定本文后续的研究工作以使用Stilling-Weber势为主。 对于熔化过程的研究,本文使用固液平衡法确定硅的平衡熔点,并对模拟中可能影响熔点准确性的升温速率、初始晶胞尺寸两个因素进行了分析。研究发现,升温速率将直接影响硅的过热熔点,而由于采用了周期性边界条件,初始晶胞尺寸对计算所得的过热熔点的影响不大。为了清晰地描述硅的熔化过程,本文根据硅在熔化过程中的扩散系数、粒子振动的分布和团簇结构演化规律,将熔化过程描述为三个阶段,即:预熔期、速熔期和弛豫期。描述了每个阶段的不同特征,进一步揭示了熔化的真实过程。通过研究,本文描述了晶体硅在熔化过程中的液相初始成核的结构,并分析了这种Voronoi指数为2,3,0,0结构的产生过程和内在规律。 对于快速凝固过程的研究,本文设计了一种计算玻璃相变点温度的新方法,给出了计算公式并进行了验证。利用这个公式,在一定速率下的玻璃转变温度可以通过该材料的平衡熔点和过热熔点来进行计算,这种方法将有利于提高计算T_g温度的准确性和方便程度。对于硅过冷液相中的液-液相变,本文通过凝固过程中的密度、配位数和结构的变化,提供了在过冷液相硅中发生液-液相变的证据,确定相变发生温度为1389 K(冷速1×10~(12) K/s)。并首次给出了液-液相变的结构转变过程和内部结构特征。另外,本文还系统研究了冷却速率对快速凝固过程中动力学、结构演化和液-液相变的影响。研究发现,随着冷却速度的增加,液相中的粒子扩散能力下降,凝固后的固体配位数要高于低冷却速度的凝固固体;另外,过快的冷却速度对液液相变具有抑制作用。最后,本文给出了通过快速淬火方法得到的玻璃态固体硅中的最终组成团簇。 本文还研究了压力对Si熔化和快速凝固过程的影响。当压力超过3 GPa时,过冷液相硅中所发生的液-液相变会消失。同时,外界压强会影响原子的扩散行为,因而对熔化过程和快速凝固过程都会产生影响。


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