【MD】金属-半导体界面超快辐射诱导熔化的分子动力学模拟

这篇文章是一篇发表在《Journal of Applied Physics》上的论文，标题为“Molecular dynamics simulations of ultrafast radiation induced melting at metal–semiconductor interfaces”，作者为Ashwin Ravichandran, Mohit Mehta, Andrew A. Woodworth, 和 John W. Lawson。论文的主要内容是使用分子动力学模拟来研究金属-半导体界面在超快辐射诱导下的熔化现象。

主要内容总结如下：

一、研究背景：

SiC基器件在功率电子领域具有重要应用，因为与传统的硅（Si）器件相比，它们在高电压和高温应用中提供了卓越的电子性能。这些器件在恶劣环境下的应用潜力，如航空航天、军事和汽车行业，使得它们在功率电子领域受到广泛关注。碳化硅（SiC）基器件在恶劣辐射环境下的金属-半导体接触界面容易受到损伤。辐射引起的快速升温和超快冷却会改变材料的结构特性，包括熔化、再结晶和非晶化。(1)SiC基器件的应用：SiC基器件因其优异的电子特性，在高电压和高温应用中提供了比传统硅（Si）器件更优的解决方案。这些器件在恶劣环境下的应用潜力，如航空航天、军事和汽车行业，使得它们在功率电子领域受到广泛关注。(2)辐射对SiC器件的影响：尽管SiC基器件具有强大的特性，但它们对辐射敏感，容易受到辐射冲击造成的损伤和故障。辐射能量的高低和阻挡电压的大小会影响器件的损伤程度，可能导致缓慢的性能退化或灾难性的故障，甚至引发热失控事件。特别是在高电压应用中，SiC器件开始表现出退化特性，而单事件烧毁可能发生在额定电压的大约50%。(3)界面损伤的缺乏理解：尽管已有多项研究在器件层面和原子尺度上调查了辐射对SiC的影响，但对于辐射冲击在界面和金属条带上的影响，以及由此引发的纳米尺度现象和材料失效模式，目前仍然缺乏详细的理解。特别是在金属-半导体接触区域，辐射冲击会导致温度迅速升高，从而引起焦耳热，但这种界面损伤的具体机制尚不明确。(4)辐射引起的材料变化：辐射对固体材料的影响会导致局部快速加热，随后是超快冷却，这种快速的局部加热可以诱导相变，如熔化、再结晶和非晶化。材料在辐射冲击后的结构特性恢复取决于其热性能，而固体-固体界面（如金属-半导体接触）的情况更为复杂，因为结构特性的演变依赖于两种材料的相互作用。

二、研究需求和目标：

为了更好地理解辐射冲击后的界面行为，需要能够在原子尺度上追踪瞬态熔化/恢复行为的精密实验技术。此外，还需要对辐射冲击后的界面进行详细的结构和相变研究，以预测和改善SiC基器件在恶劣环境下的性能和可靠性。这项研究的目标是通过分子动力学模拟来量化辐射冲击导致的局部加热对材料的影响，并揭示材料失效的分子机制。

三、研究目的：通过分子模拟来探究钨（W）与SiC界面在辐射损伤后的超快熔化现象，并应用深度学习技术追踪局部分子结构的瞬态演变。(1)超快熔化现象的探究：研究的主要目的是使用分子动力学模拟来详细调查钨（W）与硅碳化物（SiC）界面在辐射损伤后的超快熔化行为。这种熔化是由于辐射冲击导致的快速升温和随后的超快冷却过程。(2)局部分子结构的追踪：应用深度学习技术来追踪和分析局部分子结构随时间的瞬态演变。这一步骤对于理解材料在辐射影响下的微观行为至关重要。(3)材料失效模式的理解：通过模拟和分析，旨在提供一个详细的理解，关于在纳米尺度上，辐射如何导致金属-半导体接触界面的材料失效模式，特别是在SiC基器件中。(4)界面性能的影响：研究钨在接近辐射路径时的熔化和再结晶行为，以及这些行为如何影响器件性能，特别是关注局部过冷现象对器件性能的潜在影响。(5)界面故障模式的揭示：通过模拟不同的辐射冲击情景，揭示SiC基器件材料在不同温度下的故障模式，包括在高温下的断裂样故障。（6）辐射冲击后的界面行为：量化辐射冲击后界面的行为，特别是关注由辐射引起的局部加热效应，以及这些效应如何导致材料的相变和结构变化。(7)原子尺度的界面研究：通过计算技术研究原子尺度上的界面，以预测和改善SiC基器件在恶劣环境下的性能和可靠性。

四、研究方法：