В Пенсильванском университете смоделировали сублимацию SiC при 3000–4500 K
Ученые описали переход паров карбида кремния от богатых кремнием к богатым углеродом для оптимизации производства силовой электроники.
Исследователи из Пенсильванского государственного университета разработали силовое поле ReaxFF для моделирования высокотемпературной сублимации карбида кремния (SiC), сообщает The Journal of Physical Chemistry C acs.org
The Journal of Physical Chemistry Cacs.orgОткрыть источник ↗. Исследование, выполненное в рамках университетского объединения Silicon Carbide Innovation Alliance, описывает атомную динамику материала в диапазоне температур от 3000 до 4500 K. Полученные данные предназначены для совершенствования технологии выращивания монокристаллов SiC, применяемых в силовой электронике электромобилей и энергетических систем.
Кинетика сублимации и состав паровой фазы
В отличие от кремния, кристаллы карбида кремния выращивают не из расплава, а методом физического переноса пара, при котором твердый порошок сублимирует в закрытой печи и осаждается на затравке. Моделирование методом молекулярной динамики показало спектр газообразных соединений в реакторе, включая Si, SiC, SiC2, Si2C, Si2C2, Si2C3 и Si3C2. Расчеты авторов подтвердили, что начальная фаза сублимации при 3000 K обогащена кремнием, однако с ростом температуры паровая фаза смещается в сторону углеродных компонентов.
Контроль стехиометрии пара критичен для предотвращения дефектов в растущем кристалле. Нарушение баланса между кремнием и углеродом приводит к выпадению капель кремния, осаждению свободного графита или нарушению политипной структуры слитка. Точность и вычислительная производительность созданного силового поля ReaxFF были верифицированы квантовомеханическими расчетами и сопоставлены с потенциалами на основе машинного обучения.
Переход к макроскопическому моделированию
Чтобы перенести микроскопические данные на параметры промышленных ростовых установок, исследователи провели аррениусовский анализ полученных динамических траекторий acs.org
The Journal of Physical Chemistry Cacs.orgОткрыть источник ↗. Это позволило извлечь кинетические константы реакций для интеграции в гидрогазодинамические расчеты (CFD). Включение этих параметров в макроскопические модели газовых потоков и теплопереноса в печах позволяет инженерам рассчитывать условия роста кристаллов виртуально перед проведением натурных ростовых экспериментов.
