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辐照点缺陷对GaN(10–10)表面微观磨损和亚表面损伤的影响 —分子动力学模拟

摘要：第三代宽禁带半导体GaN由于具有耐高温和耐辐照等优点，在空间探测、核装置监测等领域具有广阔的应用前景。研究辐照环境中GaN表面的微观摩擦、磨损与黏着问题，可为GaN基微器件在空间环境中的抗磨减摩设计提供理论指导。本工作首先建立了纤锌矿氮化镓（GaN）晶体辐照损伤级联碰撞的分子动力学模型，对级联碰撞过程进行了计算机模拟。模拟结果表明，初级离位原子（PKA）的能量越高，缺陷数量越多、在晶体内部的分布越广；级联碰撞区域中心的缺陷主要表现为空位，而间隙则分布在空位区外围，与空位成对出现。然后，建立了金刚石纳米磨粒和辐照后GaN（10–10）表面的纳米划痕模型，对纳米划痕过程进行了分子动力学模拟。模拟结果显示，辐照点缺陷可以一定程度地降低GaN（10–10）表面的摩擦磨损。同样的划痕条件下，与未辐照的GaN（10–10）表面相比，具有辐照点缺陷的GaN（10–10）表面不仅具有更低的摩擦力与摩擦系数，还拥有更少的磨损原子数与更低的磨损率。结和表面磨损形貌，发现辐照表面的材料堆积（Pile-up）更少而且划痕表面更光滑。作者推测这是因为与未辐照GaN表面的划痕区域相比，辐照GaN表面的划痕区域原子的表面能维持在较高状态，卸载过程中其表面原子更容易实现无序-有序的转变，最终重新形成稳定的表面结构。此外，具有一定密度的辐照点缺陷可以阻碍位错的发展，降低亚表面损伤；且PKA能量越高，发生变形的原子数目越少。

关键词：氮化镓；分子动力学模拟；辐照点缺陷；纳米磨损；亚表面损伤