مطالعه ابتدا به ساکن تحول نقص خودبین‌نشین در ساختار بلوری 4H-SiC

بابایی بیدمشکی, نادیا; نظری, صفیه

doi:10.22055/jrmbs.2024.18982

مطالعه ابتدا به ساکن تحول نقص خودبین‌نشین در ساختار بلوری 4H-SiC

نوع مقاله : مقاله پژوهشی کامل

نویسندگان

پژوهشکده فیزیک و شتابگرها، پژوهشگاه علوم و فنون هسته‌ای، سازمان انرژی اتمی ایران، تهران، ایران

10.22055/jrmbs.2024.18982

چکیده

اثرات ماکروسکوپی تخریب تابشی بر مواد ناشی از برهم‌نهی تدریجی آسیب‌های اولیه در مقیاس اتمی است. در این پژوهش با استفاده از روش شبیه‌سازی دینامیک مولکولی ابتدا به ساکن، اثرات حضور نقص‌های نقطه‌ای خودبین‌نشین بر خواص الکترونی و ساختاری 4H-SiC مورد بررسی قرار گرفت. بنابر نتایج به دست آمده، مهم‌ترین عامل در تغییر این خواص، جایگاه نقص ایجاد شده در شبکه است. یافته‌های محاسبات ابتدا به ساکن نشان داد که بازترکیب زوج فرنکل ایجاد شده در ساختار، در صورتی رخ خواهد داد که حفره و نقص به اندازه کافی به یکدیگر نزدیک بوده و حداکثر این فاصله حدود یک ثابت شبکه باشد. نتایج به‌دست آمده حاکی از این امر بوده است که زمان بازترکیب زوج فرنکل برای نقص اتم کربن و سیسلسیوم به ترتیب در حدود 120 و 1600 فمتوثانیه می‌باشد. چنانچه بازترکیب رخ ندهد، شاهد حضور ترازهای تله در گاف انرژی می‌باشیم که این موضوع می‌تواند در کاهش بازده این نوع از آشکارسازها نقش بسزایی داشته باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

فیزیک محاسباتی

عنوان مقاله [English]

An ab-initio study of self-interstitial defect evolution in 4H-SiC crystal structure

نویسندگان [English]

Nadia Babaei Bidmeshki
safieh Nazari

Physics &amp; Accelerators School, Nuclear Science and Technology Research Institute, AEOI, Tehran .Iran

چکیده [English]

Macroscopic effects of radiation damage are due to the superposition of initial damages at atomic scale. Using ab-initio molecular dynamics, the effect of point defects on the electronic and structural properties of 4H-SiC was evaluated. According to the results, the position of the defect was the most important factor in the mentioned properties. Based on the ab-initio molecular dynamics, it was depicted that the Frenkel pair recombination occurs only if the hole and defect are close enough (about a lattice constant). It was observed that recombination will happen during 120 to 1600 femtoseconds for carbon and silicon Frenkel pairs, respectively. If recombination does not occur, trap states appear in the energy gap, which can reduce the detector’s efficiency.

کلیدواژه‌ها [English]

Density functional theory
Ab initio molecular dynamics
Charge density distribution
Frenkel pair
Self-interstitial defect

مراجع

[1] G. Was, The displacement of atoms, fundamentals of radiation materials science, Springer, New York, (2017).

[2] S. Kanazawa, M. Okada, I. Kimura, Application of Accelerators in Research and Industry, American Institute of Physics, (2012) 881-884.

[3] B. Khorsandi, Ph.D. Thesis, Ohio State University, (2007).

[4] Y. Katoh, L.L. Snead, I. Szlufarska, W.J. Weber, Radiation effects in SiC for nuclear structural applications, Journal of Current Opinion in Solid State and Materials Science, 16 (2012) 143-152. https://doi.org/10.1016/j.cossms.2012.03.005

[5] B.J. Cowen, M.S. El-Genk, K. Hattar, S.A. Briggs, Investigation of irradiation effects in crystalline and amorphous SiC, Journal of Applied Physics, 126 (2019) 135902. https://doi.org/10.1063/1.5085216

[6] W. He, C. Chen, Z. Xu, Molecular dynamics simulations of silicon carbide nanowires under single-ion irradiation, Journal of Applied Physics, 126 (2019) 125902. https://doi.org/10.1063/1.5121873

[7] H. Gao, H. Wang, M. Niu, L. Su, Radiation damage behavior of amorphous SiOC polymer-derived ceramics: the role of in situ formed free carbon, Journal of Nuclear Materials, 545 (2021) 152652. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2020.152652

[8] M. Jiang, S. Peng, G. Yang, H. Gong, Z. Liu, L. Qiao, X. Zu, Ab initio molecular dynamics simulation of the radiation damage effects of GaAs/AlGaAs superlattice, Journal of Nuclear Materials, 516 (2019) 228-237. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2019.01.030

[9] S. Zhang, M. Li, H. Xiao, Z. Liu, X. Zu, A comparative study of electron radiation response of Pu₂Zr₂O₇ and La₂Zr₂O₇: An ab initio molecular dynamics study, Journal of Materials, 14 (2021) 1516. https://doi.org/10.3390/ma14061516

[10] T. Kobayashi, K. Harada, Y. Kumagai, F. Oba, Y. Matsushita, Native point defects and carbon clusters in 4H-SiC: A hybrid functional study, Journal of Applied Physics, 125 (2019) 125701. https://doi.org/10.1063/1.5089174

[11] X. Wang, J. Zhao, Z. Xu, F. Djurabekova, M. Rommel, Y. Song, F. Fang, Density functional theory calculation of the properties of carbon vacancy defects in silicon carbide, Nanotechnology and Precision Engineering, 3 (2020) 211-217. https://doi.org/10.1016/j.npe.2020.11.002

[12] E. Artacho, E. Anglada, O. Dieguez, J.D. Gale, A. Gracia, J. Junquera, R.M. Martin, P. Ordejon, J.M. Pruneda, D. Sanchez, The SIESTA method; developments and applicability, Journal of Physics: Condensed Matter, 20 (2008) 064208. https://doi.org/10.1088/0953-8984/20/6/064208

[13] S. Majidi, N. Beryani Nezafat, D.P. Rai, A. Achour, H. Ghaziasadi, A. Sheykhian, S. Solaymani, Optical and electronic properties of pure and fully hydrogenated SiC and GeC nanosheets: first-principles study, Journal of Optical and Quantum Electronics, 50 (2018) 1-13. https://doi.org/10.1007/s11082-018-1556-3

[14] G. Zhao, D. Bagayoko, Electronic structure and charge transfer in 3C- and 4H-SiC, New Journal of Physics, 16 (2000) 1-12. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1367-2630/2/1/316

[15] X. Peng-Shou, X. Chang-Kun, P. Hai-Bin, X. Fa-Qiang, Theoretical study on the band structure and optical properties of 4H-Sic, Chinese Physics, 13 (2004) 2126-2129. http://iopscience.iop.org/1009-963/13/12/026

[16] Md. Nuruzzaman, M. Ariful Islam, M. Ashraful Alam, M. Hadi Shah, A. Tanveer Karim, Structural, elastic and electronic properties of 2H- and 4H-SiC, Journal of Engineering Research and Applications, 5 (2015) 48-52.

[17] H. Morkoc, S. Strite, G. Gao, M. Lin, B. Sverdlov, M. Burns, Large-band-gap SiC, III-V nitride, and II-VI ZnSe-based semiconductor device technologies, Journal of Applied Physics, 76 (1994) 1363. https://doi.org/10.1063/1.358463

[18] F. Gao, E.J. Bylaska, W.J. Weber, L.R. Corrales, Native defect properties in b-SiC: Ab initio and empirical potential calculations, Journal of Nuclear Instruments and Methods in Physics, 180 (2001) 286-291. https://doi.org/10.1016/S0168-583X(01)00430-X