基于第一性原理模拟的Si、Ge及Si/Ge超晶格低能辐射响应研究

摘要

利用第一性原理分子动力学，我们考察了低能离子辐照对体相硅（Si）、体相锗（Ge）及Si/Ge超晶格（SL）的影响。研究发现，超晶格界面处的Ge原子保持与体相Ge相似的位移抗力，而界面附近的Si原子表现出比体相Si更高的位移阈值，表明辐射耐受性提升。体相与超晶格结构的缺陷生成机制不同，超晶格产生更复杂的缺陷簇。缺陷形成能和迁移能垒计算显示，超晶格中点缺陷更难形成，空位迁移性更低。这些结果表明Si/Ge超晶格有望用于辐射丰富环境下的电子与光电器件。

研究背景

近年来，Si/Ge超晶格凭借可调带结构和增强载流子迁移率，成为下一代电子与光电器件的多功能平台，应用涵盖光通信用快速光电二极管、微电子、太阳能电池及空间载荷组件。然而，空间高能离子辐照会改变材料光电性能，导致器件退化。因此，深入理解Si/Ge超晶格在极端条件下的辐射响应至关重要。

实验工作已证实Si/Ge超晶格优于体相Si的辐射抗性。例如，单层Ge嵌入超晶格的电子辐照研究显示光致发光退化降低；2 MeV质子辐照Ge量子点超晶格结构表现出卓越耐受性。Si/Ge多层上的Ge量子阱器件及热电测量中也观察到类似趋势，离子流增强声子散射和电子输运，提升优值。尽管有这些洞见，但Si/Ge超晶格中缺陷形成与演化的全面原子级理解仍缺乏。

第一性原理分子动力学（AIMD）是探究辐射损伤原子尺度机制的有力工具，其原子间势能源自第一性原理电子结构计算。区别于经典MD，AIMD捕获电荷转移和电子屏蔽效应，能准确确定阈值位移能（E_d）和缺陷构型。本工作利用AIMD对比体相Si、体相Ge和Si₂/Ge₂超晶格中的低能位移事件，识别其不同辐射行为的机制，并量化缺陷形成与迁移能垒。

计算方法

位移级联模拟采用SIESTA代码。采用Troullier-Martins范数保守赝势描述离子-电子相互作用，用Ceperley-Alder参数化的局域密度近似（LDA）处理交换相关效应。价态用单ζ加极化（SZP）基组展开，1×1×1 k点网格，60 Ry截断能。超晶格模型超胞含288个原子，排列为两层Si交替两层Ge（Si₂/Ge₂）。图1展示了体相Si和Si/Ge超晶格的几何结构。

选取初级撞击原子（PKA）赋予动能引发反冲事件。若PKA返回晶格位点，则以5 eV步长增加能量重复模拟；一旦PKA保持位移，将阈值精度细化至0.5 eV。对每种元素，在体相和超晶格中考察四至五个晶向。所有运行采用NVE系综，限制1.2 ps以避免数值不稳定。

结果与讨论

体相硅与锗的位移事件

AIMD计算得体相Si晶格常数5.50 Å（实验值5.43 Å，理论值5.48 Å），体相Ge为5.71 Å（实验5.77 Å，理论5.65 Å）。表1汇总了阈值位移能（E_d）及缺陷结构，图2、3描绘了Si和Ge的损伤构型。

体相Si的E_d接近实验值：[001]向21 eV，[110]向约47.6 eV，[111]向约12.9 eV。所有情况主缺陷均为Frenkel对（空位+间隙原子）。[110]向E_d（47 eV）超经典MD值（24 eV），反映AIMD包含电荷转移效应。位移机制随晶向异：[111]向PKA散射至间隙位而被位移原子回位；[001]向复杂交换序列产生两空位两间隙；[110]向多重碰撞形成Frenkel对簇。结果确认[110]向是体相Si最抗位移方向。

体相Ge的E_d与实验理论吻合：[001]向约18 eV，[111]和[1 1 1]向9.5 eV。[111]向位移仅形成简单间隙，[110]向PKA与邻近Ge原子交换位置生成一空位一间隙。同Si一样，[110]向最难位移。体相Si和Ge缺陷图谱均以Frenkel对为主。

Si/Ge超晶格中的位移事件

选取靠近Si/Ge界面的PKA原子研究Si₂/Ge₂超晶格。表2列出E_d值及缺陷，图4、5展示构型。

超晶格中Si原子沿[1 1 1]向高度抗位移（E_d=10 eV），Si[001]和Si[00 1̅]分别需46.5 eV和42.5 eV，生成复杂反位簇。超晶格中Ge原子沿[111]和[1 1 1̅]保持低E_d（≈16 eV），类似体相Ge，但[001]（≈17 eV）和[00 1̅]（≈18 eV）阈值升高。重要的是，超晶格中Ge[110]的E_d降至8.5 eV，产生混合缺陷簇（空位、反位、间隙）。这些发现证实超晶格增强了Si的辐射抗力，在一定程度上也提升了Ge的抗力，与先前实验观察一致。

体相Si、Ge及Si/Ge超晶格的缺陷形成能与迁移能垒

采用64原子超胞、6×6×6 k点采样、500 eV截断能，计算了体相Si、体相Ge和超晶格中空位、间隙、反位的形成能（表3）。结果显示体相Si中V_Si（3.60 eV）和体相Ge中V_Ge（2.23 eV）为最优缺陷，超晶格中大多数缺陷形成能略高，但V_Ge（2.73 eV）和V_Si（2.85 eV）仍最低。

用钩弹性带法评估超晶格界面附近V_Ge和V_Si的迁移能垒（表4）。空位在体相和超晶格中均最易沿[111]向迁移，但超晶格中能垒略高（如V_Si沿[111]：体相0.11 eV vs 超晶格0.12 eV）。[100]和[110]向迁移能垒差异较小。结果表明超晶格中空位迁移受抑，可减少辐照下的缺陷聚集和肿胀。

结论

本AIMD研究表明体相Si和Ge的位移阈值能强烈各向异性，[110]向最抗位移。Si/Ge超晶格中Si原子沿[111]和[001]向抗力增强，Ge原子除[110]向阈值降低外保持体相水平。缺陷形成能证实超晶格中点缺陷更难形成，迁移能垒显示空位迁移率降低，特别是最易迁移的[111]向。这些综合效应奠定了Si/Ge超晶格优异辐射耐受性的基础，使其成为必须在恶劣辐射环境下工作器件的理想选择。