مدل مقیاس اتمی می تواند به بهبود رشد مواد برای الکترونیک پیشرفته کمک کند

توسط جیمی اوبردیک، دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا

ویرایش شده توسط Sadie Harley، بررسی توسط Robert Egan

این مقاله با توجه به روند و سیاست های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

محققان ایالت ایالت پن، مدلی در مقیاس اتمی از چگونگی تبدیل کاربید سیلیکون از جامد به بخار در طول رشد کریستال، اصلاح کرده اند، کاری که می تواند به سازندگان کمک کند تا مواد با کیفیت بالاتر برای الکترونیک پیشرفته تولید کنند و در عین حال آزمایش های پرهزینه آزمون و خطا را کاهش دهند.

این مطالعه که در The Journal of Physical Chemistry C منتشر شده است، اولین انتشارات اتحادیه نوآوری کاربید سیلیکون ایالت پن یا SCIA است که یک مشارکت تحقیقاتی صنعتی و دانشگاهی است.

کاربید سیلیکون (SiC) یک ماده کریستالی است که در الکترونیک پرقدرت، از جمله وسایل نقلیه الکتریکی و سیستم‌های انرژی پاک استفاده می‌شود. برخلاف کریستال‌های دیگر، که می‌توانند با ذوب کردن مواد و سپس سرد کردن آن به یک جامد رشد کنند، کاربید سیلیکون با استفاده از انتقال فیزیکی بخار (PVT) رشد می‌کند. در این فرآیند، کاربید سیلیکون جامد تا زمانی که مستقیما به بخار تبدیل می‌شود، حرارت داده می‌شود، که سپس روی کریستال بذری می‌نشیند و کریستال بزرگ‌تری می‌سازد.

از آنجایی که این فرآیند در دماهای شدید در داخل یک کوره بسته اتفاق می افتد، محققان نمی توانند به راحتی مراحل اولیه تصعید را مشاهده کنند، زمانی که یک جامد مستقیما به بخار تبدیل می شود بدون اینکه ابتدا به مایع تبدیل شود، یا تعیین کنند که کدام مولکول در آن بخار وجود دارد.

یون کیونگ شین، استاد محقق مهندسی مکانیک در ایالت پن و نویسنده اصلی این مطالعه، گفت: به دلیل این شرایط شدید، مشاهده آزمایشی مستقیم در محل در داخل یک کوره PVT بسته تقریبا غیرممکن است، و شکاف مهمی در درک ما از تصعید در مراحل اولیه و دینامیک بخار ایجاد می‌کند.

برای بررسی این فرآیند پنهان، تیم ReaxFF، مخفف میدان نیروی راکتیو، یک روش محاسباتی را که توسط آدری ون دوین، استاد مهندسی مکانیک دانشگاه ایوان پوگ و نویسنده متناظر این مطالعه اختراع و توسعه یافته است، اصلاح کردند.

میدان نیرو در اصل مجموعه ای از قوانین ریاضی است که نحوه برهمکنش اتم ها را محاسبه می کند. ReaxFF همچنین می‌تواند واکنش‌های شیمیایی را شبیه‌سازی کند و به محققان این امکان را می‌دهد تا اتم‌ها را در حین حرکت دنبال کرده و شکستن و شکل‌گیری مجدد پیوندهای شیمیایی را در طول زمان تماشا کنند.

ReaxFF خود جدید نیست. یک میدان نیروی سیلیکون-کربن قبلی عمدتا برای مطالعه اکسیداسیون SiC پارامترگذاری شده بود. تصعید شامل مسیرهای شیمیایی مختلف، از جمله شکستن پیوندها در جامدات و تشکیل گونه های بخار است. بنابراین محققان میدان نیرو را با استفاده از مجموعه وسیعی از محاسبات مکانیکی کوانتومی مجددا پارامترسازی کردند.

مدل تصفیه شده به محققان اجازه می دهد تا مولکول های مختلف حاوی سیلیکون و کربن را که با گرم شدن کاربید سیلیکون و تبدیل آن به بخار تشکیل می شوند، دنبال کنند. نتایج با محاسبات مکانیکی کوانتومی دقیق‌تر مطابقت داشت و آزمایش‌های آزمایشگاهی این پیش‌بینی را تأیید کردند که ماده جامد باقی مانده به طور فزاینده‌ای از نظر کربن غنی می‌شود.

شبیه‌سازی‌ها همچنین نشان داد که ساختار بخار با افزایش دما تغییر می‌کند. مخلوط سیلیکون و کربن - و در چه نسبتی - رسیدن به کریستال دانه می تواند بر میزان رشد کریستال تأثیر بگذارد.

شین گفت: «تغییر وابسته به دما در ترکیب بخار توسط انرژی‌های تصعید متمایز گونه‌های گازی مختلف انجام می‌شود. در دماهای پایین‌تر، گونه‌های غنی از سیلیکون، مانند سیلیکون و کربن سیلیکون، ترجیحا از مواد منبع فرار می‌کنند زیرا موانع فعال‌سازی کمتری برای تبخیر دارند.

بخاری که بیش از حد غنی از سیلیکون است می تواند به قطرات سیلیکون یا نقص های بزرگ روی دانه کمک کند، در حالی که کربن اضافی می تواند به گرافیت شدن، سایر نقص ها یا ساختار کریستالی SiC ناخواسته کمک کند. شین توضیح داد که درک چگونگی تغییر دما در بخار می تواند به سازندگان کمک کند تا شرایط گرمایش را برای بهبود کیفیت کریستال تنظیم کنند.

این تیم همچنین نرخ‌های وابسته به دما را برای واکنش‌های تصعید کلیدی که می‌توان در مدل‌های دینامیک سیالات محاسباتی آتی گنجاند، محاسبه کرد. این مدل‌ها شرایط در مقیاس کوره مانند انتقال حرارت، جریان گاز و گرادیان دما را شبیه‌سازی می‌کنند اما به اطلاعات شیمیایی دقیق در مورد بخار نیاز دارند.

ترکیب داده‌های واکنش در مقیاس اتمی با شبیه‌سازی‌های مقیاس کوره می‌تواند آزمایش‌های واقعی رشد مجازی را امکان‌پذیر کند.

شین گفت: «در نهایت، این به تولیدکنندگان اجازه می‌دهد تا هندسه‌های کوره و دستورالعمل‌های حرارتی را از طریق شبیه‌سازی بهینه‌سازی کنند، در نتیجه اتکا به فرآیندهای پرهزینه و زمان‌بر رشد آزمون و خطا را کاهش دهند.»

یک مطالعه مرتبط که در مجله رشد کریستال منتشر شد و توسط محققان Morgan Advanced Materials، یک تولید کننده جهانی کربن، گرافیت و مواد سرامیکی و یکی از اعضای بنیانگذار SCIA منتشر شد، دیدگاه تکمیلی را ارائه می‌دهد.

مورگان یک همکاری تحقیقاتی پنج ساله با Penn State دارد که بر رشد کریستال SiC متمرکز است، و اعضای SCIA در بحث‌ها مشارکت کردند و مواد منبع SiC مورد استفاده در مطالعه مورگان را ارائه کردند.

در حالی که Shin و همکارانش تکامل اتمی گونه‌های بخار را در طول تصعید بررسی کردند، تیم تحت رهبری مورگان یک مدل ترمودینامیکی از ترکیب بخار تعادلی بالای منبع SiC تحت شرایط رشد PVT توسعه دادند. با هم، این مطالعات تصعید SiC را در مقیاس‌ها، از رفتار اتم‌ها و مولکول‌ها تا محیط بخار کلی که در رشد کریستال دخیل هستند، بررسی کردند.

کاربید سیلیکون بخشی از دسته ای از مواد شناخته شده به عنوان نیمه هادی های باند پهن است که می تواند در ولتاژها و دماهای بالاتر نسبت به سیلیکون معمولی کار کند و برای الکترونیک قدرت پیشرفته مهم است.

شین گفت: «این کار به عنوان یک اثبات قوی برای مفهوم اکوسیستم SCIA عمل می‌کند و نشان می‌دهد که مدل‌سازی مشترک و پیش‌بینی‌کننده می‌تواند توسعه نسل بعدی نیمه‌هادی‌های با فاصله باند گسترده را تسریع بخشد.

یون کیونگ شین و همکاران، بینش اتمی در مورد تصعید SiC و ترکیب بخار وابسته به دما توسط ReaxFF Molecular Dynamics Simulations، مجله شیمی فیزیکی C (2026). DOI: 10.1021/acs.jpcc.6c03672

فرناندو والهوس-بورگوس و همکاران، ترمودینامیک تصعید SiC در رشد کریستال PVT، مجله رشد کریستال (2026). DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2026.128763

اطلاعات مجله: مجله شیمی فیزیک ج

کارشناسی علوم زیستی و اکولوژی. پیشینه آزمایشگاه میکروبیولوژی با تجربه اخبار دارویی در صنایع نفت، گاز و تجدیدپذیر. نمایه کامل →

لیسانس زیست شناسی ریاضی، کارشناسی ارشد در نوشتن خلاق. خوش سفر با دیدگاه های منحصر به فرد در علم و زبان. نمایه کامل →