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研究生: 蔣宜靜
Chiang, I-Ching
論文名稱: 以分子動力學模擬3C碳化矽在高溫矽離子輻照下之微結構變化及膨脹反應
Molecular Dynamics Modeling for Irradiation-Induced Microstructural Evolution and Swelling of 3C-SiC
指導教授: 胡宣德
Hu, Hsuan-Teh
共同指導教授: 胡琪怡
Hu, Alice
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 土木工程學系
Department of Civil Engineering
論文出版年: 2016
畢業學年度: 104
語文別: 中文
論文頁數: 135
中文關鍵詞: 分子動力學碳化矽雙溫模型LAMMPS
外文關鍵詞: molecular dynamics, silicon carbide, two temperature model, LAMMPS
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  • 碳化矽為優良的陶瓷材料及半導體材料,且在高溫的環境下,仍能擁有好的機械、抗輻照與抗腐蝕性質,因而在各種核能材料中受到高度的矚目。先前已經有許多文獻模擬碳化矽在高溫輻照下,其缺陷變化及膨脹效應,但是卻少有文獻考慮碳化矽中的電子對於高能量粒子的影響。作為核能材料必須能承受大量高能量的中子之撞擊,而當高速粒子射入材料時,材料中的電子海會消耗入射粒子的能量。為了在模擬系統中考慮此現象,必須引入雙溫模型,將電子-離子相互作用與電子耗能作用一併考慮。
    本研究中以分子動力學軟體LAMMPS模擬在不同輻照溫度下,帶有10keV的高能量粒子射入3C結構的碳化矽,在系統中造成一連串的位移連鎖反應。為了考慮雙溫模型,統整電子-離子相互作用參數與電子耗能參數對模擬系統的影響,藉由原子系統及電子子系統的溫度變化與PKA的能量消散,選擇的參數設定為γ_p=200 g⁄(mol∙ps)、γ_s=40 g⁄(mol∙ps),再進行不同輻照溫度下的輻射效應之模擬。
    將系統分別模擬400℃、800℃、1000℃、1200℃及1400℃五種不同的輻照溫度,除了與其他模擬文獻比較缺陷數量的模擬結果外,本研究將不同輻照溫度下模擬出的缺陷種類、位置及大小繪製於3D圖中,再與實驗文獻比較,整理得出因矽離子輻照而產生的小黑點缺陷、差排環、疊差環與空孔之位置及其各種缺陷種類生成之輻照溫度,並解釋其隨溫度的演變情形。也利用MATLAB程式將入射粒子及主要受撞擊而具有較高速度的粒子之路徑輸出,可以解釋缺陷的位置走向及分佈。另外,運用可視化軟體OVITO測量及計算各晶面的d-spacing之膨脹量,將數據整理後與實驗文獻比較,可推測各種缺陷型態對晶格膨脹行為之影響。

    Nowadays, we mainly use thermal power to meet the power requirement in Taiwan, but the fossil fuel will run out some day. Therefore, nuclear electricity generation is the most important form of electricity generation and the microstructure for the construction of the nuclear fusion power plant is the key point of the safety for developing the electricity generation. In this research, the chosen material for microstructure is 3C-SiC, regarded as the most promising material for replacing zirconium alloy, the material for the fuel cladding now.
    In this thesis, the simulation are performed with the LAMMPS molecular dynamics code. The simulation cell consists of about 216,000 atoms with 30x30x30 unit cells. We used a 9x9x9 coarse-grained cells, and there are about 300 atoms in each coarse-grained cell. The radiation effect obtained by this work will be compared with the experimental thesis published by Lin (2015) [4]. We observe the evolution of the microstructure by simulating 10 keV displacement cascade under identical primary knock-on atom. For this study, the simulation are performed for various electron-ion interaction parameter (20, 80, 400g/mol∙ps) and electronic stopping parameter (40, 200, 400g/mol∙ps), so that we could easily tell and compare the change as the parameters vary. And, the most important simulation in this study performed the environmental temperature under irradiation ranging from 400 to 1400 degree centigrade. The simulation would be compared with the experimental thesis published by Lin (2015) [4]. The simulation box would be output with many kinds of defect, and the result written above was same as the experimental thesis we selected to compare with.

    目錄 摘要 i 誌謝 vi 目錄 vii 表目錄 ix 圖目錄 x 第一章 緒論 1 1.1 福島核災(Fukushima Nuclear Accident) 2 1.2 核反應之燃料棒外殼材料(Fuel Cladding) 3 1.3 分子動力學(Molecular Dynamics) 4 1.4 章節介紹 5 第二章 文獻回顧 6 2.1 碳化矽的結構與命名 6 2.2 碳化矽的材料特性 9 2.3 碳化矽的輻射效應 13 2.3-1 微結構變化 13 2.3-2 膨脹效應 23 第三章 模擬原理與方法 25 3.1 分子動力學模擬介紹 25 3.1-1 基本古典力學定律 26 3.1-2 週期性邊界條件與時間步長 27 3.1-3 分子間的作用力及勢能函數 28 3.1-4 系綜原理 30 3.2 雙溫模型(Two-Temperature Model) 32 3.2-1 雙溫模型理論介紹 34 3.2-2 參數介紹及設定 39 3.3 LAMMPS模型 42 3.3-1 基本設定及邊界條件 42 3.3-2 勢能函數(Gao-Weber Potential, GW) 43 3.4 缺陷種類分析 47 3.5 碰撞路徑模擬 48 第四章 模擬結果與討論 49 4.1 不同參數下雙溫模型之溫度分析 52 4.1-1 相同rs、不同rp之分析 54 4.1-2 相同rp、不同rs之分析 68 4.2 不同輻照溫度下受矽離子照射之輻射效應 81 4.2-1 空位及間隙原子數量分析 81 4.2-2 碰撞路徑與缺陷之關係 90 4.2-3 缺陷種類分析 101 4.2-4 不同溫度下膨脹效應之探討 123 第五章 結論 126 參考文獻 128 附錄 LAMMPS input檔 132 表目錄 表2-1 碳化矽結構型態表示法[10] 8 表2-2碳化矽與其他半導體材料的特性比較[10] 11 表2-3 碳化矽與鋯合金之各種材料性質比較 12 表3-1 常用的分子動力學系綜簡介 31 表3-2 碳化矽內部作用力之參數 46 表4-1 本研究與Zhang文獻參數設定之異同 53 表4-2 不同γp及γs對Frenkel-Pair的數量變化[16] 63 表4-3 GW Potential各種缺陷形成能一表[34] 77 表4-4 各缺陷之形成能一表[34] 82 表 4-5 輻照後3C-碳化矽中缺陷型態與密度大小之統計[4] 104 表4-6 內置型與外置型疊差環數量之統計[4] 104 表4-7 輻照後3C-碳化矽中空孔大小與密度之統計[4] 105 表4-8 以同步輻射X光繞射實驗統計之膨脹情形 124 (400℃~800℃) [4] 124 表4-9 以同步輻射X光繞射實驗統計之膨脹情形 124 (1000℃~1350℃) [4] 124 表4-10 以OVITO取算數平均之膨脹情形 (400℃~800℃) 125 表4-11 以OVITO取算數平均之膨脹情形 (1000℃~1400℃) 125 圖目錄 圖2-1 碳化矽結構示意圖 (a)α-SiC (b)β-SiC [9] 7 圖2-2常見的碳化矽結構示意圖[10] 7 圖2-3 碳化矽因輻照溫度及輻照劑量不同之缺陷型態分佈圖[9] 14 圖2-4碳化矽因輻照溫度及輻照劑量不同之缺陷型態分佈圖[12] 14 圖2-5 小黑點缺陷 (a)STEM-ABF (b)HRTEM 實驗影像[4] 15 圖2-6 差排環於600℃之影像[4] 16 圖2-7差排環於800℃之影像[4] 17 圖2-8 由間隙原子團變成Frank形式差排環之形成圖[4] 17 圖2-9 缺陷密度對輻照溫度的分佈圖[12] 18 圖2-10缺陷大小對輻照溫度的分佈圖[12] 18 圖2-11 內置型疊差環形成圖[4] 20 圖2-12外置型疊差環形成圖[4] 21 圖2-13不同輻照溫度下之空孔影像[4] 22 (a)1000℃,20dpa (b) 1200℃,20dpa (c) 1350℃,20dpa 22 圖2-14碳化矽因輻照溫度及輻照劑量不同之缺陷型態分佈圖[9] 24 圖3-1 二維週期性邊界條件示意圖 27 圖3-2 (a)二體勢能示意圖 (b)多體勢能示意圖 29 圖3-3 各種模擬方法及其尺度示意圖 33 圖3-4 入射帶有能量1MeV的矽離子之能量消耗示意圖[18] 33 圖3-5 原子系統與電子子系統示意圖[17] 34 圖3-6 原子系統與電子子系統的能量交替圖 38 圖3-10 各種點缺陷對時間的數量變化 (a)Tersoff Potential (b) GW Potential 44 圖4-1 3C結構碳化矽的單位晶格 50 圖4-2 本研究模擬3C結構碳化矽之模擬系統大小 50 圖4-3 電子子系統小立方格示意圖[16] 51 圖4-4 本研究之系統模擬流程 51 圖4-5 原子系統溫度對時間之變化圖(γs,γp單位: g/mol∙ps) 54 圖4-6 電子子系統溫度對時間之變化圖(γs,γp單位: g/mol∙ps) 56 圖4-7 PKA能量的消散對時間之變化圖 56 圖 4-8 缺陷種類及路徑分析(γs=40 g/mol∙ps, γp=400 g/mol∙ps)(a) x-z平面 (b) y-z平面 (c)立體視角 (d)立體視角放大 58 圖 4-9 缺陷種類及路徑分析(γs=40 g/mol∙ps, γp=80 g/mol∙ps)(a) x-z平面 (b) y-z平面 (c)立體視角 (d)立體視角放大 60 圖 4-10 缺陷種類及路徑分析(γs=40 g/mol∙ps, γp=20 g/mol∙ps)(a) x-z平面 (b) y-z平面 (c)立體視角 (d)立體視角放大 62 圖4-11不同γp空位數量的變化[23] 64 圖4-12 在相同γs不同γp下空位數量對時間之變化 65 圖4-13 在相同γs不同γp之下間隙原子數量對時間之變化 65 圖4-14 VSi+VC、VSi及VC對時間之數量變化圖 66 圖4-15 VSi+VC、VSi及VC對時間之數量變化圖 66 圖4-16 VSi+VC、VSi及VC對時間之數量變化圖 66 圖4-17 ISi+IC、ISi及IC對時間之數量變化圖 67 圖4-18 ISi+IC、ISi及IC對時間之數量變化圖 67 圖4-19 ISi+IC、ISi及IC對時間之數量變化圖 67 圖4-20原子系統溫度對時間之變化圖(γs,γp單位: g/mol∙ps) 68 圖4-21電子子系統溫度對時間之變化圖(γs,γp單位: g/mol∙ps) 70 圖4-22 PKA能量的消散對時間之變化圖 70 圖 4-23 缺陷種類及路徑分析(γp=200g/mol∙ps, γs=400g/mol∙ps)(a) x-z平面 (b) y-z平面 (c)立體視角 (d)立體視角放大 72 圖 4-24 缺陷種類及路徑分析(γp=200g/mol∙ps, γs=200g/mol∙ps)(a) x-z平面 (b) y-z平面 (c)立體視角 (d)立體視角放大 74 圖 4-25 缺陷種類及路徑分析(γp=200g/mol∙ps, γs=40g/mol∙ps)(a) x-z平面 (b) y-z平面 (c)立體視角 (d)立體視角放大 76 圖4-26在相同γp不同γs下空位數量對時間之變化 78 圖4-27在相同γp不同γs下間隙原子數量對時間之變化 78 圖4-28 VSi+VC、VSi及VC對時間之數量變化圖 79 圖4-29 VSi+VC、VSi及VC對時間之數量變化圖 79 圖4-30 VSi+VC、VSi及VC對時間之數量變化圖 79 圖4-31 ISi+IC、ISi及IC對時間之數量變化圖 80 圖4-32 ISi+IC、ISi及IC對時間之數量變化圖 80 圖4-33 ISi+IC、ISi及IC對時間之數量變化圖 80 圖4-34 在各輻照溫度下的最後平衡之缺陷數量變化圖[30] 83 圖4-35在各輻照溫度下的最後平衡之缺陷數量變化圖(本研究結果) 83 圖4-37不同溫度下間隙原子數量對時間變化圖(未考慮雙溫模型) 84 圖4-38 輻照溫度為673K之缺陷數量變化圖(未考慮雙溫模型) 85 圖4-39輻照溫度為1073K之缺陷數量變化圖(未考慮雙溫模型) 85 圖4-40輻照溫度為1273K之缺陷數量變化圖(未考慮雙溫模型) 85 圖4-41輻照溫度為1473K之缺陷數量變化圖(未考慮雙溫模型) 86 圖4-42輻照溫度為1673K之缺陷數量變化圖(未考慮雙溫模型) 86 圖4-43輻照溫度為673K之缺陷數量變化圖(考慮雙溫模型) 87 圖4-44輻照溫度為1073K之缺陷數量變化圖(考慮雙溫模型) 87 圖4-45輻照溫度為1273K之缺陷數量變化圖(考慮雙溫模型) 87 圖4-46輻照溫度為1473K之缺陷數量變化圖(考慮雙溫模型) 88 圖4-47輻照溫度為1673K之缺陷數量變化圖(考慮雙溫模型) 88 圖4-48未考慮雙溫模型下最後平衡之缺陷數量變化圖(本研究結果) 89 圖 4-50各種缺陷與碰撞路徑之空間示意圖(輻照溫度為400℃) 92 (a) x-z平面 (b) y-z平面 (c)立體視角 (d)立體視角放大 92 圖 4-51各種缺陷與碰撞路徑之空間示意圖(輻照溫度為800℃) 94 (a) x-z平面 (b) y-z平面 (c)立體視角 (d)立體視角放大 94 圖 4-52各種缺陷與碰撞路徑之空間示意圖(輻照溫度為1000℃) 96 (a) x-z平面 (b) y-z平面 (c)立體視角 (d)立體視角放大 96 圖 4-53各種缺陷與碰撞路徑之空間示意圖(輻照溫度為1200℃) 98 (a) x-z平面 (b) y-z平面 (c)立體視角 (d)立體視角放大 98 圖 4-54各種缺陷與碰撞路徑之空間示意圖(輻照溫度為1400℃) 100 (a) x-z平面 (b) y-z平面 (c)立體視角 (d)立體視角放大 100 圖 4-55 缺陷團與各種類缺陷之示意圖(輻照溫度為400℃) 107 (a) x-z平面 (b) y-z平面 (c)立體視角 (d)立體視角放大 107 圖 4-56缺陷團與各種類缺陷之示意圖(輻照溫度為800℃) 109 (a) x-z平面 (b) y-z平面 (c)立體視角 (d)立體視角放大 109 圖 4-57缺陷團與各種類缺陷之示意圖(輻照溫度為1000℃) 111 (a) x-z平面 (b) y-z平面 (c)立體視角 (d)立體視角放大 111 圖 4-58各種缺陷聚集之空間示意圖(輻照溫度為400℃) 113 (a) x-z平面 (b) y-z平面 (c)立體視角 (d)立體視角放大 113 圖 4-59各種缺陷聚集之空間示意圖(輻照溫度為800℃) 115 (a) x-z平面 (b) y-z平面 (c)立體視角 (d)立體視角放大 115 圖 4-60各種缺陷聚集之空間示意圖(輻照溫度為1000℃) 117 (a) x-z平面 (b) y-z平面 (c)立體視角 (d)立體視角放大 117 圖 4-61各種缺陷聚集之空間示意圖(輻照溫度為1200℃) 119 (a) x-z平面 (b) y-z平面 (c)立體視角 (d)立體視角放大 119 圖 4-62各種缺陷聚集之空間示意圖(輻照溫度為1400℃) 121 (a) x-z平面 (b) y-z平面 (c)立體視角 (d)立體視角放大 121 圖4-63 Vacancy-rich depleted zone示意圖 122 圖4-64 缺陷示意圖(輻照溫度為673K) 122

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