一种基于从头算分子动力学方法计算材料离位阈能的方法技术

本发明专利技术提供了一种基于从头算分子动力学方法计算材料离位阈能的方法，属于模拟技术领域，所述方法包括：建立与材料对应的体系模型；设定模拟参数，利用从头算分子动力学方法对所述体系模型进行离位阈能的模拟计算，并获取演化完成后的体系结构，其中，所述模拟参数包括PKA预设能量；根据所述体系结构的状态确定后续模拟计算所需施加的新的PKA能量，并进行再次模拟计算，直至所述体系结构中首次产生稳定缺陷，获取此时的PKA能量，并将其确定为所述材料的离位阈能。本发明专利技术解决了半导体材料离位阈能无法定量且准确计算的问题，且方法逻辑清晰，步骤简单且易于操作。步骤简单且易于操作。步骤简单且易于操作。

【技术实现步骤摘要】
一种基于从头算分子动力学方法计算材料离位阈能的方法


[0001]本专利技术涉及模拟仿真
，具体而言，涉及一种基于从头算分子动力学方法计算材料离位阈能的方法。

技术介绍

[0002]当半导体电子器件长时间处于空间环境中时，器件中的半导体材料会受到空间带电粒子的辐射而产生损伤。辐射损伤引起的缺陷主要通过电离损伤、位移损伤产生，为清楚理解位移缺陷的产生与形成机制，需研究在缺陷演化中的初级撞出粒子(PKA)级联碰撞、高温退火、最后趋于稳定的全过程。
[0003]在整个缺陷演化过程中，材料的离位阈能是一个至关重要的参量。离位阈能是能使得原子移动并能在材料中形成稳定缺陷的最小能量。通过其定义不难看出，材料的离位阈能数值对PKA的产生以及后续的级联过程均具有关键作用。获得对应材料的准确的离位阈能数值，是整个模拟级联过程的基础以及模拟结果正确性的重要保障。
[0004]目前获得离位阈能数值的方法有很多，多数采用分子动力学方法进行离位阈能的模拟计算，然而，分子动力学计算极度依赖于经验势函数，囿于经验势函数的精度，采用分子动力学方法计算出来的离位阈能数值往往存在偏差，准确度较低。

技术实现思路

[0005]本专利技术解决的问题是现有技术中多采用分子动力学方法模拟计算材料的离位阈能，但这种方法因受限于经验势函数的精度，使得计算的准确度较低，计算出来的离位阈能数值往往存在较大偏差。
[0006]为解决上述问题，本专利技术提供一种基于从头算分子动力学方法计算材料离位阈能的方法，包括：
[0007]步骤S1，建立与材料对应的体系模型；
[0008]步骤S2，设定模拟参数，利用从头算分子动力学方法对所述体系模型进行离位阈能的模拟计算，并获取演化完成后的体系结构，其中，所述模拟参数包括PKA预设能量；
[0009]步骤S3，根据所述体系结构的状态确定后续模拟计算所需施加的新的PKA能量，并进行再次模拟计算，直至所述体系结构中首次产生稳定缺陷，获取此时的PKA能量，并将其确定为所述材料的离位阈能。
[0010]较佳地，所述步骤S3具体包括：
[0011]判断在PKA预设能量下演化得到的初始结构中是否存在稳定缺陷；
[0012]当所述初始结构中存在所述稳定缺陷时，以所述PKA预设能量为初始能量，按照第一方法确定后续模拟所需施加的新的PKA能量；
[0013]当所述初始结构中不存在所述稳定缺陷时，将所述PKA预设能量按预设能量步长递增，直至所述体系结构中产生稳定缺陷，获取此时PKA的能量为所述初始能量，并按照所述第一方法确定后续模拟所需施加的新的PKA能量。
[0014]较佳地，所述按照第一方法确定后续模拟所需施加的新的PKA能量包括：
[0015]按照第一原则和第二原则轮流的方式确定后续模拟所需施加的新的PKA能量，其中，所述第一原则为：当所述体系结构中存在稳定缺陷时，减小PKA的能量并进行再次模拟，所述第二原则为：当所述体系结构中不存在稳定缺陷时，增大PKA的能量并进行再次模拟。
[0016]较佳地，所述按照第一方法确定后续模拟所需施加的新的PKA能量具体包括：
[0017]将所述初始能量以第一设定能量步长递减，直至所述体系结构中不再产生稳定缺陷，获取此时的PKA能量为第一能量；
[0018]将所述第一能量以第二设定能量步长递增，直至所述体系结构中产生稳定缺陷，获取此时的PKA能量为第二能量；
[0019]将所述第二能量确定为所述材料的离位阈能，或者将所述第二能量按不同的设定能量步长以递减、递增轮替的方式继续进行模拟，直至所述体系结构中产生稳定缺陷，获取此时的PKA能量为第n能量；将所述第n能量确定为所述材料的离位阈能；其中，n为大于或等于3的整数，且第一设定能量步长至第n设定能量步长依次减小。
[0020]较佳地，还包括：对所述材料的不同晶向重复所述步骤S1、所述步骤S2和所述步骤S3，获得不同晶向的离位阈能数值。
[0021]较佳地，所述模拟参数还包括系综、模拟时间步长和演化时间。
[0022]较佳地，所述模拟时间步长为0.5fs。
[0023]较佳地，所述演化时间为2000个所述模拟时间步长。
[0024]较佳地，所述系综为NVE系综。
[0025]较佳地，所述建立与材料对应的体系模型包括：对受辐照器件进行网格划分，得到模拟盒子，建立与所述模拟盒子大小相等的体系模型。
[0026]本专利技术相较于现有技术的优势在于：
[0027]本专利技术解决了半导体材料离位阈能无法定量且准确计算的问题，本专利技术基于从头算分子动力学方法进行模拟，并通过获取演化完成后的体系结构，根据体系结构的状态确定新的PKA能量，再次进行模拟，由此通过多次调整PKA能量及多次模拟过程，获得材料的离位阈能，即体系结构中首次产生稳定缺陷时的PKA能量。本专利技术使用从头算分子动力学解决了经验势函数精度不高的问题，且逻辑清晰，步骤简单且易于操作。
附图说明
[0028]图1为本专利技术实施例中基于从头算分子动力学方法计算材料离位阈能的方法流程图；
[0029]图2为本专利技术实施例中硅材料的结构示意图；
[0030]图3为本专利技术实施例中计算材料离位阈能的方法流程图。
具体实施方式
[0031]为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本专利技术的具体实施例做详细的说明。
[0032]请参阅图1所示，本专利技术实施例提出一种基于从头算分子动力学方法计算材料离位阈能的方法，包括：
[0033]步骤S1，建立与材料对应的体系模型；
[0034]步骤S2，设定模拟参数，利用从头算分子动力学方法对所述体系模型进行离位阈能的模拟计算，并获取演化完成后的体系结构，其中，所述模拟参数包括PKA预设能量；
[0035]步骤S3，根据所述体系结构的状态确定后续模拟计算所需施加的新的PKA能量，并进行再次模拟计算，直至所述体系结构中首次产生稳定缺陷，获取此时的PKA能量，并将其确定为所述材料的离位阈能。
[0036]本专利技术所述的用于计算材料离位阈能的方法，其应用对象包括各类半导体材料。
[0037]按照本专利技术，首先建立半导体材料对应体系模型。具体包括：对受辐照器件进行网格划分，根据模拟情况设置合适大小的模拟盒子(box)，并获取每个模拟盒子中的PKA信息，建立与模拟盒子大小相等的体系模型。其中PKA信息包括PKA能量、类型等参数。以Si体系为例，可以将Si单胞在x、y和z三个方向均扩充5倍，建立与box等大小的Si结构用于后续模拟过程，如图2所示，为Si材料用于计算离位阈能的结构示意图。
[0038]按照本专利技术，然后设定模拟参数，使用从头算分子动力学方法(AIMD)进行离位阈能模拟计算，所谓离位阈能是指能够使得材料中原子移动并能在材料中形成稳定缺陷的最小能量。因此，所述模拟参数至少包括PKA预设能量。具体实施方式中，可以将步骤S1中获取的模拟本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于从头算分子动力学方法计算材料离位阈能的方法，其特征在于，包括：步骤S1，建立与材料对应的体系模型；步骤S2，设定模拟参数，利用从头算分子动力学方法对所述体系模型进行离位阈能的模拟计算，并获取演化完成后的体系结构，其中，所述模拟参数包括PKA预设能量；步骤S3，根据所述体系结构的状态确定后续模拟计算所需施加的新的PKA能量，并进行再次模拟计算，直至所述体系结构中首次产生稳定缺陷，获取此时的PKA能量，并将其确定为所述材料的离位阈能。2.根据权利要求1所述的基于从头算分子动力学方法计算材料离位阈能的方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：判断在PKA预设能量下演化得到的初始结构中是否存在稳定缺陷；当所述初始结构中存在所述稳定缺陷时，以所述PKA预设能量为初始能量，按照第一方法确定后续模拟所需施加的新的PKA能量；当所述初始结构中不存在所述稳定缺陷时，将所述PKA预设能量按预设能量步长递增，直至所述体系结构中产生稳定缺陷，获取此时PKA的能量为所述初始能量，并按照所述第一方法确定后续模拟所需施加的新的PKA能量。3.根据权利要求2所述的基于从头算分子动力学方法计算材料离位阈能的方法，其特征在于，所述按照第一方法确定后续模拟所需施加的新的PKA能量包括：按照第一原则和第二原则轮流的方式确定后续模拟所需施加的新的PKA能量，其中，所述第一原则为：当所述体系结构中存在稳定缺陷时，减小PKA的能量并进行再次模拟，所述第二原则为：当所述体系结构中不存在稳定缺陷时，增大PKA的能量并进行再次模拟。4.根据权利要求3所述的基于从头算分子动力学方法计算材料离位阈能的方法，其特征在于，所述按照第一方法确定后续模拟...

【专利技术属性】
技术研发人员：荆宇航，李兴冀，李胡阳，吕钢，杨剑群，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：