SiC相转变研究

1. 研究背景

众所周知，密集排列的层状晶体化合物如SiC、ZnS、CdI2、MoS2等，按交替原子层，有大量相异的相位。例如SiC有100多个相，每个中原子能量几乎相同。立方型SiC-3C带隙为2.4eV，六方型SiC-4H带隙为3.3eV，电子迁移率在这些构型中比较高，基于异质结3C/4H的设备有比较大的应用前景。本案例中，作者采用密度泛函理论方法，重点研究了2Hà 6H和3Cà 6H转变，计算转变能量分布及过渡态。

2. 建模与计算方法

作者通过Welcome to MedeA Bundle中InfoMaticA搜索了SiC结构，随后创建了SiC-2H、SiC-3C及SiC-6H不同体系，接着采用MedeA-VASP模块中采用密度泛函DFT的方法，对各体系进行结构优化；K点采用7x7x3，截断能为400eV，采用MedeA-TSS模块搜索2Hà 6H和3Cà 6H转变反应路径。

3. 结果与讨论

3.1 SiC结构优化

作者采用MedeA-VASP模块优化SiC-2H、SiC-6H结构，见图1。图1(a)中，对于SiC-2H，SiC密集填充层，垂直方向上，从A位置移动到C位置；图1(b)中，从位置B移动到位置C。SiC-3C结构，见图2。转变位点为A和B。

图1 SiC-2H转变为SiC-6H各结构

图2 SiC-3C转变为SiC-6H各结构

3.2 2Hà 6H及3Cà 6H相转变计算

随后，作者采用MedeA-TSS模块计算了2Hà6H相转变过程，见图3,。2Hà6H转变中有三个极小值，中间最小值（中间IS）是由于两个链接位点改变形成，位点改变不是同时进行，而是轮流改变。当第一层中A迁移到C，B才相C迁移，见图1。除此之外，还有一种可能，B先向C迁移，然后再是A向C迁移。中间态IS对称性P3m1，比末态、初态对称性P6₃mc能量低。NEB计算显示，从2HàIS，ISà 6H分别有一个中间亚稳态IS1和IS2，亚稳态对称性为Cm。

图3 SiC-2H转变为SiC-6H反应路径

作者进一步研究了3Cà6H转变过程，见图4。3Cà6H转变中需要Si-C键断裂，形成新的Si-Si键和C-C键，然后它们断裂，最后形成新的Si-C链。SiC中Si-Si和C-C键形成需要大量能量，因此，转变能量明显高于2Hà6H能垒，能量为350 KJ/mol (3.6eV/atom)。3Cà 6H转变中，IS对称性为P3m1，低于初态（对称性为F43m）和末态（对称性P6₃mc）。反应过程中TS1和TS2对称性为Cm。

图4 SiC-3C转变为SiC-6H反应路径

4. 结论

综上，作者通过第一性原理计算研究表明在2Hà6H中，通过SiC键压缩实现转变，而3Cà6H中，通过Si-Si和C-C键辅助完成转变。因此2Hà6H (1.7eV/atm) 能垒明显小于3Cà6H (3.6eV/atm)，通过分析过渡态发现，所有过渡态结构均具有单斜对称性。通过此次研究，有助于我们更好理解SiC相转变性质，为我们日后对碳化物更深层的次研究做出较大贡献。

参考文献：

S.A. Kukushkin, A.V. Osipov. Thechniques for Polytypic Transformations in Silicon Carbide. Physics of the Solid State. 2019, Vol. 61, No. 8, pp, 1389-1393.

使用MedeA模块：

• Welcom to MedeA Bundle

• MedeA-VASP

• MedeA-TSS