单晶立方碳化硅辐照肿胀与非晶化的分子动力学模拟研究

碳化硅(SiC)材料在核能材料和半导体器件等领域有广泛的潜在应用,其辐照效应一直备受关注.结合动态恒温墙技术和恒温恒压热浴算法,本工作基于经典分子动力学模拟方法构建了单晶立方碳化硅(3C?SiC)的连续辐照模型,并研究了室温下连续几千次碰撞级联引起的SiC晶体损伤(对应的辐照剂量高达1 dpa),首次从微观上呈现了SiC从无缺陷到损伤饱和(彻底非晶化、肿胀达到极值)的完整过程.模拟发现持续辐照使得SiC密度明显降低,并储存了大量能量,其数值与文献中的实验结果比较接近.SiC非晶化过程可分为缓慢增长、快速增长、缓慢增长、完全非晶四个阶段,完全非晶的辐照剂量约为0.4 dpa,与文献中的第一性原理结果和实验结果非常接近.模拟得到的SiC肿胀与辐照剂量的关系,在0.1 dpa以下与实验结果比较接近,在0.1 dpa以上则明显偏高,这可能源自模拟与实验在剂量率上的巨大差异.这些结果表明,本文构建的计算模型比较合理,未来可用于对SiC辐照损伤微观机理的进一步研究.