Previsões de dinâmica molecular para o sistema Si1-XGeX

Abstract

As ligas de Si1-xGex têm sido investigadas acerca de suas propriedades térmicas para serem aplicadas em transistores e geradores termoelétricos. Os efeitos que a concentração do germânio e o tamanho de grão exercem sobre essas propriedades devem ser analisados. A dinâmica molecular pode ser uma ferramenta útil para relacionar as propriedades do material com sua estrutura atômica, mas, para que seja efetiva, é preciso compreender as limitações que o potencial interatômico escolhido possui. Neste trabalho, foi feita uma análise sobre as previsões do potencial ReaxFF para as constantes elásticas das ligas de Si1-xGex, coeficiente de expansão linear e condutividade térmica do Si a 300 K, com a finalidade de simular propriedades elásticas e térmicas do sistema Si1-xGex. Os resultados obtidos via dinâmica molecular foram comparados com resultados experimentais disponíveis na literatura. Foi observado que as previsões do potencial ReaxFF para a constante C11 e para o módulo de compressibilidade do silício estão de acordo com o observado experimentalmente. Contudo, as constantes C12 e C44 divergem do valor experimental. Além disso, foi constado que a diferença entre os valores das constantes elásticas previstos pelo ReaxFF e os obtidos experimentalmente aumentava com o crescimento da concentração de germânio. A condutividade térmica do silício a 300 K obtida neste trabalho é igual a 58,992 W/mK enquanto o valor experimental relatado é aproximadamente 150 W/mK. A previsão do potencial para o coeficiente de expansão térmica do silício a 400 K também está em desacordo com o observado experimentalmente.

SiGe alloys have been studied due to their thermal properties with potential applications on transistors and thermoelectric generators. The effect of germanium concentration and grain size on these properties should be investigated. Molecular dynamics can be used to design these materials with the desired properties, however, to acquire reliable results, the interatomic potential has to be validated. In this project, an analysis concerning the predictions of ReaxFF, a Bond Order potential type, about the elastic constants of SiGe alloy system, coefficient of linear thermal expansion and thermal conductivity of silicon at 300 K was made. The results achieved by molecular dynamics were compared whit experimental results. It was observed that the predictions of the bulk modulus and the elastic constant C11 for silicon made by the ReaxFF were in agreement with experimental results. However, the elastic constant C12 and C44 calculated in this project diverge from what is experimentally reported. Besides that, the difference between the value of elastic constants predicted by ReaxFF and obtained experimentally increase as the germanium concentration raise. The silicon thermal conductivity predicted by this project is 58,992 W/mK while the result obtained experimetally at 300 K is about 150 W/mK. The coefficient of linear thermal expansion at 400 K was also predict in desagrement with experimental data.