劉創(chuàng)

摘要：近年來，隨著社會(huì)的發(fā)展，我國(guó)的化工工程建設(shè)的發(fā)展也有了改善。碳化硅（SiC）由于其優(yōu)異性能，已廣泛運(yùn)用于核技術(shù)領(lǐng)域。在輻照環(huán)境下，載能入射粒子可使材料中的原子偏離晶體格點(diǎn)位置，進(jìn)而產(chǎn)生過飽和的空位、間隙原子、錯(cuò)位原子等點(diǎn)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(dòng)力學(xué)方法（Green-Kubo方法）采用Tersoff型勢(shì)函數(shù)研究了點(diǎn)缺陷對(duì)立方碳化硅（β-SiC或3C-SiC）熱傳導(dǎo)性能的影響規(guī)律。研究過程中考慮的點(diǎn)缺陷包括：Si間隙原子（SiI）、Si空位（SiV）、Si錯(cuò)位原子（SiC）、C間隙原子（CI）、C空位（CV）和C錯(cuò)位原子（CSi）。研究結(jié)果表明，熱導(dǎo)率（λ）隨點(diǎn)缺陷濃度（c）的增加而減小。在研究的點(diǎn)缺陷濃度范圍（點(diǎn)缺陷與格點(diǎn)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(diǎn)缺陷的濃度呈線性關(guān)系，其斜率為熱阻率系數(shù)。研究表明，空位和間隙原子的熱阻率系數(shù)高于錯(cuò)位原子的熱阻率系數(shù);高溫下點(diǎn)缺陷的熱阻率系數(shù)高于低溫下點(diǎn)缺陷的熱阻率系數(shù);Si空位和Si間隙原子的熱阻率系數(shù)高于C空位和C間隙原子的熱阻率系數(shù)。這些結(jié)果有助于預(yù)測(cè)及調(diào)控輻照條件下碳化硅的熱傳導(dǎo)性能。

關(guān)鍵詞：碳化硅中點(diǎn)缺陷;熱傳導(dǎo)性能影響;分子動(dòng)力學(xué)研究

引言

碳化硅（SiC）是一種新型寬帶隙半導(dǎo)體材料，具有優(yōu)秀的物理化學(xué)性質(zhì)，并且在高溫、高頻和高功率器件領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。晶體結(jié)構(gòu)分析表明，SiC具有250多種同型異構(gòu)體，工業(yè)上制造半導(dǎo)體時(shí)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(dǎo)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(diǎn)缺陷對(duì)熱導(dǎo)率的影響

SiC材料在輻照環(huán)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(diǎn)原子離位，進(jìn)而產(chǎn)生過飽和不同種類的點(diǎn)缺陷。點(diǎn)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(tài)（結(jié)構(gòu)）和其他服役條件（溫度和壓力等）等因素的影響。為了研究點(diǎn)缺陷類型及其濃度對(duì)3C-SiC熱傳導(dǎo)性能的影響，我們針對(duì)不同的點(diǎn)缺陷類型，構(gòu)建了不同點(diǎn)缺陷濃度的超胞。根據(jù)前文的參數(shù)設(shè)置及計(jì)算流程，計(jì)算了不同類型點(diǎn)缺陷在不同濃度下的熱導(dǎo)率?？梢园l(fā)現(xiàn)隨著點(diǎn)缺陷濃度增加，SiC材料的熱導(dǎo)率（λ）下降。當(dāng)然不同類型的點(diǎn)缺陷，對(duì)應(yīng)超胞的熱導(dǎo)率數(shù)值不同，這是由于不同類型點(diǎn)缺陷對(duì)聲子的散射行為的差異造成的。僅影響熱導(dǎo)率數(shù)值的大小。另外研究過程中還發(fā)現(xiàn)間隙原子構(gòu)型（對(duì)于本文使用的Tersoff勢(shì)函數(shù)，C間隙的穩(wěn)定構(gòu)型為C+-C<100>，Si間隙的最穩(wěn)定構(gòu)型為Si+-C<100>）將影響超胞的熱傳導(dǎo)行為，dumbbell間隙軸向（即其中一個(gè)<100>取向）的熱導(dǎo)率要小于橫向（即另外兩個(gè)<100>取向）的熱導(dǎo)率。SiC熱傳導(dǎo)的主要載體是聲子，在溫度高的區(qū)域晶格振動(dòng)具有更大的振幅和更多的模式，即聲子數(shù)更多，這些聲子將傳遞至低溫區(qū)域，然而聲子間存在相互作用，傳遞過程將發(fā)生碰撞，在材料中引入點(diǎn)缺陷，也將影響聲子的傳遞，聲子會(huì)與缺陷發(fā)生碰撞，降低聲子壽命。

2SiC導(dǎo)熱性的影響因素

SiC的導(dǎo)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(jié)添加劑的數(shù)量和組成，晶體邊界的性質(zhì)取決于燒結(jié)助劑的組成成分及燒結(jié)條件。

2.1多型體對(duì)SiC導(dǎo)熱性的影響

熱壓條件下燒結(jié)得到的SiC聚集體的導(dǎo)熱性會(huì)隨SiC多型體的類型以及濃度不同而有很大改變，并且對(duì)溫度有一定的依賴性。在2000℃下熱壓與足夠的Al2O3燒結(jié)助劑條件下得到具有4H、3C-SiC多型體的聚集體。研究發(fā)現(xiàn)，在室溫下3C-SiC多型體濃度越高的聚集體，其導(dǎo)熱性越高。隨著4H多型體濃度的增加，聚集體的導(dǎo)熱率明顯下降。這可能是在熱壓過程中氧化物燒結(jié)添加劑固溶到3C-SiC中導(dǎo)致轉(zhuǎn)化為4H-SiC，因?yàn)榇嬖谟诰Ц裰械难鯐?huì)產(chǎn)生額外的硅空位，這些空位導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)致聲子平均自由程顯著下降，從而使導(dǎo)熱率下降;而在高溫下，聲子的平均自由程為常數(shù)，導(dǎo)熱率基本保持穩(wěn)定。

2.2微結(jié)構(gòu)對(duì)SiC導(dǎo)熱性的影響

材料表面和內(nèi)部的微結(jié)構(gòu)對(duì)導(dǎo)熱性具有重要影響。例如，反應(yīng)結(jié)合SiC（RBSC）復(fù)合材料的導(dǎo)熱性降低主要是因?yàn)槎蜗?、晶體尺寸、密度等結(jié)構(gòu)缺陷引入的熱阻所致。另外，溫度和退火熱處理對(duì)導(dǎo)熱性也有一定的影響，因?yàn)闇囟葧?huì)誘導(dǎo)晶體缺陷和相變的變化。

2.3孔隙對(duì)SiC導(dǎo)熱性的影響

基于固體材料的導(dǎo)熱機(jī)理，孔隙會(huì)嚴(yán)重影響聲子的傳輸，從而導(dǎo)致其導(dǎo)熱性隨著孔隙率的增加而降低。例如，孔隙作為C-SiC復(fù)合材料的固有結(jié)構(gòu)缺陷，對(duì)其導(dǎo)熱性有著重要影響。熱擴(kuò)散和熱輻射是C-SiC復(fù)合材料導(dǎo)熱的主要媒介。通過氧化碳相將孔隙引入C-SiC復(fù)合材料，研究發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，熱擴(kuò)散率迅速下降。這是由于聲子的振動(dòng)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(dǎo)熱性降低?？紫秾?duì)熱擴(kuò)散率的影響主要與孔的數(shù)量（即孔隙率）有關(guān)。在相同溫度下，C-SiC復(fù)合材料的熱擴(kuò)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(kuò)散率。同時(shí)對(duì)于C-SiC復(fù)合材料，本征結(jié)構(gòu)主要是碳纖維、熱解碳（PyC）相、SiC基體和SiC涂層。當(dāng)PyC相和碳纖維逐漸被氧化消失時(shí)，消失的碳相會(huì)改變C-SiC的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分，主要是增加了孔隙率和減少導(dǎo)熱路徑，從而引起聲子散射導(dǎo)致熱擴(kuò)散率下降。另外，C-SiC中孔隙對(duì)熱輻射也有很大影響。不同位置的孔隙對(duì)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(nèi)部的孔隙會(huì)吸收并反射了底部的熱輻射，從而降低了熱輻射。

參考文獻(xiàn)

[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(xué)報(bào)，2012，41（4）：1011-1014.

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