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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 새로이 제시된 Tersoff 포텐셜 파라미터를 이용하여 융액 SR와 비정질 Sic》를 제조하여, 특정의 온도에서 Si와 O 원자의 확산 거동과 구조적 변화에 대한 영향을 조사하기 위하여 MD 시뮬레이션을 수행하였으며, 그 결과에 대해서 보고한다.
제안 방법
- 온도 및 냉각 과정에 따른 si。?의 구조적 특성 변화를 고려하기 위해서, 계의 유리 전이 온도를 Si와 O 원자 각각에 대한 확산계수 결과를 이용하여 조사하였다. Fig.
- Si-0 시스템을 위해 새로이 개발된 Tersoff 포텐셜 파라미터를 이용하여 특정 온도에서 SiO2의 확산 거동 및 구조 분석에 대한 분자 동력학 시뮬레이션 방법을 이용하여 수행하였다. 냉각 과정에 따른 특정 온도에서 융액 및 비정질 SiC>2의 확산 거동 및 구조를 분석하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
- OxlO11 K/sec의 냉각 속도로 냉각된 계에 대해서 Si(D의 구조적 변화가 3000K 이하의 온도에서 변화되리라 사료된다. 그러므로 냉각동안 시스템의 원자 배열을 5000 K(alpha-quartz를 초기 용융한 온도), 3600 K(확산 계수의 수치 변화가 거의 없어지는 3000 K 이상의 온도), 2400K(3000K 이하의 온도)와 1600 K(원자들의 확산이 거의 일어나지 않을 것으로 사료되는 온도)에 대해서 발췌하여 분석을 하였다.
- 냉각 과정扌「혀.른 Si(&의 구조적 특성 변화 및 확산 거동은 냉각 과정동안 특정의 온도에서 system의 원자 배열을 발췌하여 ensemble을 평균함으로서 수행되었다.
- 우선 SiC)2의 단거리 규칙도와 특정 온도에서 온도의 영향을 조사하기 위해서, RDF를 계산하였으며, 그 결과가 Fig. 3에 보인다. 처음 3개의 peak는 각각 Si-O, O-O, Si-Si의 결합 거리에 대응된다.
- 모든 Si 원자는 정확히 4배위, 그리고 모든。원자는 2배위를 한다고 가정하여 특정 온도에서 RDF의 첫 번째 peak의 최소위치 내에 존재하는 원자 수를 산출하여 Si와 O 원자에 대한 배위수 결함을 분석하였으며, 그 결과를 Fig. 4에 보인다. 급격한 배위수 결함의 감소가 3000K 이하에서 관찰되었다.
- MD 시뮬레이션은 일정한 원자 수, 일정한 부피와 일정한 온도(NNT ensemble)의 조건하에서 x, y, z 방향으로 주기경계조건을 적용하여 수행되었다. 원자들 사이에; 작용하는 힘은 각각 원자의 위치에 대해서 포텐셜 에너지를'미분함으로서 계산하였다. 융액 및 비정질 SiC>2의 온도에 따른 거동은 Tersoff에 의해 제시된 고전적인 경 험 포텐셜을 .
- , 航은 고려되는 각각의 온도에 대해서 계산되었다. 원자의 결합각 분포는 중앙에 위치한 원자와 RDF의 첫 번째 최소 위치내의 거리에 위치한 두 이웃 원자 사이의 각을 이용하여 계산하였다. 각각의 분포는 80 ps 동안에 선택된 160개의 서로 다른 원자 배열 분포를 가지는 시스템에 대하여 평균을 히-였다.
대상 데이터
- 이렇게 과배위한。와 저배위한 Si 원자들은 삼각형 구조를 서로 이루고 있음을 알 수 있다. 이 삼각형 구조는 Table 3에 보이는 것처럼。원자를 중심으로 하여 약 60°의 결합각을 가지는 3개의 Si 원자가 둘러싸고 있는 구조를 하고 있으며, 본 SiO2 시뮬레이션 모델의 주 결함구조이다. 삼각형 구조의 또 다른 특성 중에 하나는 Si-Si 원자간의 거리가 RDF에 의해 관찰된 거리보다 더 짧다는 것이다.
이론/모형
- 랜덤한 힘을 의미한다. 본 계산에서는 van Gunsteren과 Berendsen에 의해서 제안된 시스템이 수치 적분을 위해 적용되었다") 수치 적분을 위해 사용된 time stepe 0.5fs로, 마찰력은 5.0ps「'로 설정하였다. MD cell 내의 원자의 개수는 총 5760개이며, 이중에서 Si가 1920개, O가 3840개의 원자가 각각 함유되어 있다.
- 각각의 분포는 80 ps 동안에 선택된 160개의 서로 다른 원자 배열 분포를 가지는 시스템에 대하여 평균을 히-였다. 냉각 과정동안 온도에 따른 원자의 이동도는 아래와 같이 정의되는 평균2승변위법을 이용하여 계산을 하였다.
- 2) 각 원자의 궤적은 다음의 Langevin.방정식을 이용하여 결정되었다.
성능/효과
- 2. 원자 상호간의 결합 거리 또한 온도에 매우 민감하게 변화하였으며, Si-Si 결합거리는 온도 감소에 따라 더 작은 값으로 이동하였다. 냉각이 진행됨에 따라 O 원자의 배위수 결함 감소에 따라 전체 계의 결함 농도가 감소하였으며, 300K에서 전체 배위수 결함의 농도는 17% 로 감소하였다.
- 융액 및 비정질 Si。?의 구조는 냉각 과정이 진행됨에 따라 온도에 의존하여 큰 변화를 나타내었다. 결합각분포 결과를 고찰해 보면, 온도가 감소함에 따라 더 규칙적인 구조를 가지는 것을 알 수 있었으며, 이는 SiC>2의 네트워크 구조가 더욱 규칙적인 tetrahedral 구조로 변해가는 것을 의미한다.
- 원자 상호간의 결합 거리 또한 온도에 매우 민감하게 변화하였으며, Si-Si 결합거리는 온도 감소에 따라 더 작은 값으로 이동하였다. 냉각이 진행됨에 따라 O 원자의 배위수 결함 감소에 따라 전체 계의 결함 농도가 감소하였으며, 300K에서 전체 배위수 결함의 농도는 17% 로 감소하였다.
- 5에 보이는 것처럼 이 분포의 peak는 각각의 온도에서 143-145° 영역에서 관찰이 되었으며, 온도가 감소됨에 따라 peak의 위치가 더 큰 각도로 전이되는 것이 관찰되었다. 본 계산에서 얻어진 결과는 Mozzi 등이 310 K에서 Xray 회절을 이용하여 결정한 비정질 유리의 144°의 Si-O-Si 결합각과 매우 잘 일치하고 있음을 알 수 있다.'이 그러나 Table 1에 기술된 Si-Si의 결합 길이는 실험 결과인 3.
- 5에 보인다. 온도가 감소함에 따라서 높은 온도에서 넓은 분포를 나타내는 결합각은 점점 그 폭이 좁아졌으며, peak의 높이도 더욱 높아 졌다. 이것은 Si。?의 tetrahedral 구조가 높은 온도에서는 매우 왜곡되어 있으며, 이 결과는 동계분포함수에서 첫 번째 최인접 원자와 관련된 peak의 높은 온도에서 넓은 영역의 분포를나타낸 결과와 매우 잘 일치한다.
- 위의 결과로부터 원자 상호간의 결합 거리가 온도에 매우 의존하여 변함을 알 수 있다. 온도에 따른 각각 peak의 높이와 첫 번째 RDF의 최소 위치의 변화가 우세하였으며, 특히 첫 번째 최인접 원자의 peak에 대해서 온도에 다른 변화가 심하게 관찰되었다. 5000K에서 용융된 융액 Si(A의 경우는 계 내에 결함을 생산하면서 Si-0 결합을 끓고 확산이 일어남으로 넓은 si-0 결합거리 분포를 나타내었다.
- ' 그러나 최근 여러 연구에 의하면, SiO2의 구조를 정확이 기술하기 위해서는 다원자간의 상호작용을 고려한 many-body 포텐셜에 근거한 MD 연구가 필요함을 시사하고 있다. 이에 따라 two-body와 three-body 포텐셜을 이용한 연구모델이 제시되었으며, 이들 결과는 실험 결과와 매우 잘 일치하는 비정질 Si6의 특성을 나타내었다
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