《碳化矽材料在輻射環境結構損傷演化研究》是依託清華大學，由牛莉莎擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：碳化矽材料在輻射環境結構損傷演化研究
- 依託單位：清華大學
- 項目負責人：牛莉莎
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
離子注入和高能粒子轟擊會不可避免的造成SiC材料內部的缺陷產生、積累，晶格紊亂，甚至局部結構的無序化，導致一系列複雜的輻照效應和物理性能的顯著變化，繼而強烈影響基於SiC材料的半導體器件和熱核反應堆包殼構件的實際使用和服役壽命。目前，國際上對SiC的輻照損傷的研究大多還限於現象的描述，且存在較大的分歧。而我國在這一領域才剛剛起步。因此需要對SiC及其複合材料在不同的輻射環境（輻照粒子種類、輻照溫度、輻照角度等）下的損傷行為進行系統的研究。.本項目將通過實驗和模擬相結合的手段，深入了解在不同輻照條件下輻照離子與靶原子相互作用的微觀機理，考察不同尺度的缺陷產生、積累和演化的規律，從物理機制的角度建立能預測損傷參量隨輻照劑量演化曲線的巨觀損傷累積模型。更重要的是，要將損傷結構的演化同輻照後力學性能的改變相聯繫，最終建立在不同輻照條件下力學性能對輻照劑量定量的依賴關係。
結題摘要
碳化矽材料是一種寬頻隙半導體材料，具有擊穿電壓高、禁頻寬度大、電子飽和飄逸速度高、抗輻射能力強以及化學穩定性好等優良的物理化學性質。目前，有關碳化矽材料的研究主要著眼於核工業和半導體工業兩大領域。立足於研究現狀以及套用領域最迫切需求，本課題受資助從兩個層次循序漸進展開了關於碳化矽材料輻照效應的研究。 首先我們針對碳化矽材料本身研究遠離邊界效應影響區域的晶體輻照效應機理。碳化矽材料的輻照非晶化是工程套用中最為關心的輻照效應之一，碳化矽材料在服役過程中發生的輻照非晶化將會對器件的性能產生顯著的影響，從而使器件退化甚至失效。我們完成了理想條件下碳化矽輻照非晶化過程的精細化分析。重點研究了點缺陷團簇聚集到非晶化轉變中的驅動機制，並報導了空位型二配位矽原子在高濃度下的穩定性轉變以及在非晶化轉變中發揮的作用。應力場在碳化矽主要的套用服役領域無法避免，而已有的輻照損傷理論均建立在無應力假設的基礎上。我們從點缺陷生成、演化、相互作用，以及輻照非晶化幾個基本過程詳細研究和討論了應力場作用下碳化矽材料的輻照效應。具體地計算並驗證了幾種簡單應力場作用下碳化矽材料的離位閾能，在理論上改進了非靜水壓應力場及有梯度作用下的碳化矽材料點缺陷擴散機制。分析和討論了幾種簡單應力場作用下點缺陷演化和分布的規律，模擬了應力場對於輻照非晶化轉變的影響。 針對理論和工程中重點關心的幾種材料結構，我們進一步研究了典型結構碳化矽材料的輻照效應。晶界是一種材料中廣泛存在的二維結構，會對包括輻照效應在內的多種材料性能產生影響。我們以雙晶結構為代表仔細探尋了碳化矽材料中晶界對材料輻照效應以及輻照後力學性能的影響規律。研究了晶界周圍的缺陷分布和演化機制，報導了雙晶碳化矽輻照後晶界周圍晶界變形和晶粒內變形的相互競爭關係。納米線是一種具有納米特徵尺度的準一維結構，受到量子尺寸效應，隧道效應，表面效應等物理機制的影響進而體現出一系列新奇優異的性質。我們研究了多種幾何特徵的碳化矽孿晶納米線的輻照效應以及輻照後材料力學性能。通過分析提取出影響碳化矽孿晶納米線輻照抗性的關鍵幾何因素。通過理論解釋了納米線輻照後損傷結構斷裂模式轉變的原因。首次報導並研究了輻照納米線拉伸後產生的單原子鏈結構。針對SiC/SiCf複合材料以及半導體封裝兩個領域中的器件結構，我們還分別研究了SixC1-x以及碳化矽薄膜界面兩種結構的輻照效應以及熱損傷機理。
