硅晶體凝固生長及位錯形核的分子動力學(xué)模擬研究.pdf

1、晶體硅是當(dāng)前和未來相當(dāng)一個時期主要的光伏材料。它一般通過直拉法和定向凝固法獲得。前者得到單晶硅棒，后者得到多晶硅錠。后者因相對成本低而更具競爭力，但也因其結(jié)晶缺陷形成更難于控制而在技術(shù)上更具有挑戰(zhàn)性。本文主要針對硅晶體的定向凝固生長進(jìn)行研究，包括其生長動力學(xué)各向異性和對晶體硅電學(xué)性能影響最大的位錯缺陷的形成條件與形成機(jī)制。采用的方法為分子動力學(xué)計算模擬，這是迄今為止唯一能夠在原子尺度模擬跟蹤位錯形成動態(tài)過程的方法。
　　本研究選擇

2、Tersoff勢函數(shù)描述硅原子間的相互作用，構(gòu)建了晶體硅定向凝固的NPT系綜生長模型和外加應(yīng)力施加方法，以Nose-Hoover算法控制和恒定溫度，以Andersen算法控制和恒定壓強(qiáng)，應(yīng)用LAMMPS軟件進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。
　　模擬研究結(jié)果顯示，晶體硅凝固生長速率及其受應(yīng)力影響情況有明顯的各向異性，不同方向晶體生長速率大小關(guān)系為v[100]＞v[110]＞v[112]＞v[111]；對于同一生長方向，在壓應(yīng)變條件下，隨著應(yīng)變的增大晶

3、體生長速率降低，而在拉應(yīng)變條件下，晶體生長速率先隨著應(yīng)變的增大而增大，再隨著應(yīng)變的增大而減小，不過<110>生長中，在壓應(yīng)變條件下晶體生長速率出現(xiàn)反常。
　　模擬結(jié)果揭示，不同方向晶體生長過程中位錯形核情況也存在各向異性。在<100>、<110>、<111>、<112>方向自然生長中，<112>和<111>生長過程中能觀察到位錯的形核，另外兩個方向上，在多次模擬生長試驗(yàn)中都未出現(xiàn)位錯；<112>生長中，固液界面呈{111}小面化特

4、征，生長過程中會出現(xiàn)沿{111}面的堆垛層錯，而位錯即在{111}面上于層錯邊沿處形成；<111>生長中位錯直接形核于固液界面。在外加應(yīng)力條件下，<100>、<110>、<111>和<112>生長過程中均能觀察到位錯形核；在較大的應(yīng)變條件下，<100>和<110>生長中的位錯形核概率會顯著提升；而一定的應(yīng)變范圍內(nèi)，<112>和<111>生長中的位錯形核概率卻會降低。在應(yīng)變下的晶體生長過程中會出現(xiàn)―V‖型固液界面，而位錯形核于“V”型凹槽