理论揭示了碳化硅晶体缺陷的性质

晶体结构的缺陷，特别是细长的边缘位错，深深地改变了整个材料的基本特性，并因此极大地限制了其应用。以碳化硅为例，来自克拉科夫和华沙的物理学家已经证明，即使是这种计算要求苛刻的缺陷，也可以通过巧妙构造的小尺寸模型成功地检验原子精度。

数学喜欢完美。不幸的是，完美并不喜欢物理现实。对晶体进行建模的理论家长期以来试图在真实晶体结构中包含缺陷并预测它们对材料物理性质的影响。基于各种实验结果的模型描述了材料基本特性的变化，而没有解释发生现象的真实原因和影响。

的新型硅，碳化硅(SiC)，通过从波兰科学院(IFJ PAN)在克拉科夫的核物理研究所物理学家建成，使他们能够证明它现在可以研究晶体从头这种复杂作为边缘位错的缺陷，并通过在原子尺度上发生的过程来解释它们的特征。这一壮观的结果最近在克拉科夫举行的2019年分子物质多尺度现象会上展出，由IFJ PAN物理学家与波兰科学院基础技术研究所和波兰高压物理研究所合作完成。科学院，都位于华沙。

“我们试图找到在原子水平上负责降低碳化硅晶体击穿电压的机制。我们从头算计算可以对问题进行定性理解，并有助于解释这种现象的细节，”Jan Lazewski博士说。 ，IFJ PAN教授。

从头开始计算与1998年沃尔特·科恩和约翰·普尔斯的诺贝尔奖相关的历史悠久(不过最近才引入线性晶体缺陷模拟)。该术语用于描述使用量子力学方程进行的计算，仅由关于原子结构和晶体对称性的知识支持。在这些模型中没有来自实验的直接信息，这意味着它们也可以用于分析之前从未研究过或甚至未合成的材料。由于该问题的相对严重的复杂性，迄今为止从头算计算至多在点缺陷的情况下，与空位(缺少原子或晶体结构中的空穴)以及引入晶体的混合物有关。

克拉科夫研究人员使用碳化硅并非没有道理。这种半导体的特性非常有趣，以至于它在过去甚至被认为是硅的继承者。它的带隙(电荷从价带到导带必须克服的势垒并且导电电流几乎是硅的三倍，允许的传导电流密度 - 两倍大，散热能力超过三倍，晶体工作的截止频率高达六倍。此外，碳化硅系统可以在高达650摄氏度的温度下工作，而硅系统已经开始在120摄氏度时出现问题。SiC还具有高熔点，坚硬，耐酸和耐辐射。它的缺点包括最重要的价格：虽然两英寸硅晶圆的成本仅为几美元，但类似碳化硅晶圆的价值却达到数千美元。低质量的碳化硅晶体是一种流行的研磨材料，也用于防弹背心和世界上最昂贵的汽车的制动盘，比如兰博基尼或布加迪。高质量的晶体用于生产望远镜和高温设备的镜子。

在原子水平上，碳化硅晶体由许多彼此叠置的平坦层组成。每层都类似于蜂窝状：它由六边形单元组成，其中碳化硅分子垂直地位于拐角处。每两个相邻层可以以三种方式组合。具有不同布局的多层“三明治”产生所谓的多型，其中在碳化硅的情况下存在超过250种。来自IFJ PAN的组使用4H-SiC多晶型物。

“在对这种结构进行建模时，主要问题之一是计算复杂性。纯晶体模型，没有混合物或位错，具有高对称性的特点，甚至可以在几分钟内计算出来。为了进行计算，这是一种有错位的材料，我们需要在高功率计算机上工作数月，“IFJ PAN教授Pawel Jochym博士强调说。

边缘位错的问题是由它们对材料晶体结构的影响程度造成的。作为说明，可以将它们与掩饰地板上的一排瓷砖中的间隙的问题进行比较。通过移动相邻行的瓦片可以“伪装”间隙，但缺陷将始终保持可见。由于各个晶体层中缺少整个长度或原子/分子区域而产生的边缘位错起类似作用，影响许多相邻层中的原子和分子的位置。由于位错可以长距离延伸，实际上由它们引起的干扰包括整个晶体。

最有趣的现象发生在位错核心中，即在晶体网络的受损层的边缘附近。为了消除由单个位错引起的长程效应，从而显着减少所考虑的原子数，采用了一种技巧：引入了相反效应的​​第二个错位。通过这种方式，第一个位错对较长距离的影响得到了补偿。

SiC晶体模型由约400个原子组成。模拟显示，在晶体层中，沿着缺陷核心的边缘，“隧道”以通道的形式出现，电荷密度降低。它们局部降低势垒并导致电荷从价带“泄漏”。此外，在绝缘体中保证缺乏导电性的禁止间隙中，出现了降低其宽度和限制电荷流动的有效性的条件。结果表明，这些状态来自位于位错核心的原子。

“情况可以与松鼠试图穿越的深陡峡谷相比。如果山沟的底部是空的，那么松鼠就不会到达另一边。但是，如果有一些树木在在足够高的底部，松鼠可以跳过它们的顶部到山沟的另一边。在我们模拟的水晶中，松鼠是电荷，价带是山沟的一个边缘，导带是另一个Lazewski教授说，树木是上述与位错核心原子相关的状态。

既然已经在原子水平上知道了降低能垒阈值的机制，那么实验的范围很广。必须验证所提出的机制，以便能够使用它来限制测试缺陷的负面影响。幸运的是，已经存在技术可能性。

“未来将验证我们的想法是否会得到全面证实。但是，我们对模型的命运和模拟边缘位错的方法充满信心。我们已经知道ab initio模型已证明其价值与对抗某些实验数据，“Jochym教授总结道。

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