入射粒子辐照产生PKA过程的分子动力学仿真方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种入射粒子辐照产生PKA过程的分子动力学仿真方法及系统，所述方法包括：建立初始模型，并设定边界条件以及各入射粒子的初始位置坐标和初始速度；采用基于嵌入原子势的势函数来描述原子间的相互作用；设置模拟的时间步长，并基于Gear预估

【技术实现步骤摘要】
入射粒子辐照产生PKA过程的分子动力学仿真方法及系统


[0001]本专利技术涉及模拟仿真
，具体而言，涉及一种入射粒子辐照产生PKA过程的分子动力学仿真方法及系统。

技术介绍

[0002]随着我国航空航天事业的快速发展，以及卫星通信在现代通信系统中扮演的越来越重要的角色，对航天器来说，长寿命在轨运行是未来的趋势，这对航天器的各零部件提出了更高的抗辐射要求。一般来说，辐射环境包括空间辐射、地面半导体辐射以及电磁辐射，其中，空间辐射和地面半导体辐射会导致电子器件的性能大幅度衰退，严重的会导致器件完全失效。随着半导体技术的发展和军事设施中半导体材料所面临的恶劣服役环境等需求，在半导体潜艇、半导体航母、军用卫星、航天飞机和半导体工业中，新型半导体器件被越来越多用于各种传感器、探测器、雷达和空间飞行器等。在这些极端应用场景中,载能粒子辐射环境不可避免。尤其在高能粒子辐照作用下，半导体材料将发生严重的电离和位移损伤，进而导致器件光电性能等的退化甚至失效，对整个电子系统造成难以估量的损坏。
[0003]高能入射粒子辐照半导体器件时，入射粒子撞击器件材料的晶格原子，当晶格原子从入射粒子获得的能量超过其自身离位阈能时，产生离位现象，该晶格原子成为初级离位原子，由于该过程所处时空维度小，时间尺度为皮秒级，空间尺度为纳米级，因此很难实验方法观察辐射粒子入射半导体器件后产生初级离位原子的过程。随着科技的进步，借助计算机模拟仿真技术成为各领域的重要研究方法，目前，利用计算机模拟入射粒子辐照半导体器件产生初级离位原子的过程仍属空白。

技术实现思路

[0004]鉴于半导体器件离子或中子辐照损伤问题的复杂性及其实验研究上的困难，本专利技术解决的问题是如何对入射粒子辐照器件产生初级离位原子的过程进行模拟和仿真。
[0005]为解决上述问题，本专利技术提供一种入射粒子辐照产生PKA过程的分子动力学仿真方法，包括：
[0006]对模拟体系建立初始模型，并设定所述模拟体系的初始参数，所述初始参数包括边界条件以及各个入射粒子的初始位置坐标和初始速度；
[0007]定义原子间相互作用力，采用基于嵌入原子势的势函数来描述原子间的相互作用；
[0008]设置模拟的时间步长，并基于Gear预估
‑
校正算法，求解各个所述入射粒子的运动方程，得到各时刻所述入射粒子的位置坐标和运动参数；
[0009]根据各时刻所述入射粒子的位置坐标和运动参数得到所述入射粒子的运动轨迹。
[0010]较佳地，所述采用基于嵌入原子势的势函数来描述原子间的相互作用包括：首先采用Tersoff势函数描述键的强度与周围环境的关系，再采用ZBL势函数描述原子间的短程作用力；
[0011]其中，所述Tersoff势函数定义为
[0012][0013]式(1)中，V表示对势项，r
ij
表示原子i和j之间的距离；
[0014]所述ZBL势函数定义为：
[0015][0016]式(2)中，Z
i
表示原子i的原子序数，Z
j
表示原子j的原子序数，e表示所带电荷，a表示屏蔽长度。
[0017]较佳地，所述边界条件采用周期边界条件。
[0018]较佳地，获取各时刻所述入射粒子的位置坐标和运动参数包括：
[0019]步骤一，根据当前时刻所述入射粒子的位置坐标以及计算得到的速度和加速度，预测下一时刻所述入射粒子的位置坐标、速度及加速度；
[0020]步骤二，获取所述模拟体系中能量最高的入射粒子以及所述能量最高的入射粒子的实际加速度，计算所述步骤一中预测的加速度与所述实际加速度的差值，并根据所述差值调整所述时间步长。
[0021]较佳地，所述时间步长包括全时间步长和半时间步长。
[0022]较佳地，所述求解各个所述入射粒子的运动方程包括：
[0023]根据所述模拟体系内每个所述入射粒子的初始位置坐标和初始速度建立运动方程组，并对所述运动方程组进行时间离散并积分，以对所述运动方程进行求解；
[0024]其中，所述运动方程组为：
[0025][0026]式(3)中，m表示原子i的质量，r
i
(t)表示原子i在时刻t的坐标，v
i
(t)表示原子i在时刻t的速度，f
i
(t)表示原子i在时刻t的受力。
[0027]较佳地，还包括：根据所述时间步长、热平衡时间常数、目标温度和当前温度建立标度因子，定义所述入射粒子的速度，自动映射所述模拟体系所对应的系综。
[0028]较佳地，还包括：设定模拟温度，并在等温等体积的NVT体系下进行弛豫，并以弛豫结束后的模拟体系作为模拟辐照的初始结构。
[0029]本专利技术的基于空间辐照的初级离位原子分子动力学仿真方法相较于现有技术的优势在于：
[0030]本专利技术采用分子动力学方法在时间和空间尺度对入射粒子与晶格原子碰撞产生初级离位原子的过程进行模拟，实现小至一个晶胞大到上亿原子体系的精确运算，进而为观察微观体系中不同缺陷的产生过程、捕获实验条件难以发现的微观现象提供分析基础。通过微观组织的演化与实验结果相结合，来解释实验现象的机制，为核材料的选取和设计提供重要依据和思路。
[0031]本专利技术还提供一种基于空间辐照的初级离位原子分子动力学仿真系统，包括：
[0032]模型建立模块，用于对模拟体系建立初始模型，并设定所述模拟体系的初始参数，所述初始参数包括边界条件以及各个入射粒子的初始位置坐标和初始速度；
[0033]势函数定义模块，用于采用基于嵌入原子势的势函数来描述原子间的相互作用；
[0034]仿真模块，用于基于Gear预估
‑
校正算法，求解各个所述入射粒子的运动方程，得到各时刻所述入射粒子的位置坐标和运动参数，并根据各时刻所述入射粒子的位置坐标和运动参数得到所述入射粒子的运动轨迹。
[0035]本专利技术的基于空间辐照的初级离位原子分子动力学仿真系统相较于现有技术的优势与基于空间辐照的初级离位原子分子动力学仿真方法相同，在此不再赘述。
附图说明
[0036]图1为本专利技术实施例中入射粒子辐照产生PKA过程的分子动力学仿真方法流程图；
[0037]图2为本专利技术实施例的分子动力学计算流程图；
[0038]图3为本专利技术实施例的周期边界条件示意图。
具体实施方式
[0039]在高能入射粒子辐照半导体器件的过程中，入射粒子与晶格原子碰撞产生初级离位原子，如果初级离位原子能量足够大，它将继续与材料中的另一晶格原子发生碰撞，若该晶格原子获得的能量大于其离位阈能，其也会脱离晶格格点而与其它原子继续发生碰撞，以此方式循环，直到最后一个被碰撞的原子获得的能量不足以克服其离位阈能，这一系列的碰撞过程称为级联碰撞。由此，半导体材料将发生严重的位移损伤，导致器件光电性能的退化甚至失效。
[0040]鉴于半导体离子/中子辐照损本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种入射粒子辐照产生PKA过程的分子动力学仿真方法，其特征在于，包括：对模拟体系建立初始模型，并设定所述模拟体系的初始参数，所述初始参数包括边界条件以及各个入射粒子的初始位置坐标和初始速度；定义原子间相互作用力，采用基于嵌入原子势的势函数来描述原子间的相互作用；设置模拟的时间步长，并基于Gear预估
‑
校正算法，求解各个所述入射粒子的运动方程，得到各时刻所述入射粒子的位置坐标和运动参数；根据各时刻所述入射粒子的位置坐标和运动参数得到所述入射粒子的运动轨迹。2.根据权利要求1所述的入射粒子辐照产生PKA过程的分子动力学仿真方法，其特征在于，所述采用基于嵌入原子势的势函数来描述原子间的相互作用包括：首先采用Tersoff势函数描述键的强度与周围环境的关系，再采用ZBL势函数描述原子间的短程作用力；其中，所述Tersoff势函数定义为式(1)中，V表示对势项，r
ij
表示原子i和j之间的距离；所述ZBL势函数定义为：式(2)中，Z
i
表示原子i的原子序数，Z
j
表示原子j的原子序数，e表示所带电荷，a表示屏蔽长度。3.根据权利要求1所述的入射粒子辐照产生PKA过程的分子动力学仿真方法，其特征在于，所述边界条件采用周期边界条件。4.根据权利要求1所述的入射粒子辐照产生PKA过程的分子动力学仿真方法，其特征在于，获取各时刻所述入射粒子的位置坐标和运动参数包括：步骤一，根据当前时刻所述入射粒子的位置坐标以及计算得到的速度和加速度，预测下一时刻所述入射粒子的位置坐标、速度及加速度；步骤二，获取所述模拟体系中能量最高的入射粒子以及所述能量最高的入射粒子的实际加速度，计算所述步骤一中预测的加速度与所述实际加速度的差值，并根据所述差值调整所述时间步长。5.根据权利要求2所述的入射粒子辐照产生PKA过程的分子动力学仿真方法，其特征在于，所述时间步长包括全时间步长和半时间步...

【专利技术属性】
技术研发人员：李兴冀，徐晓东，杨剑群，张英涛，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：