Large-scale molecular dynamics simulation is performed for the study of Peierls stress and behavior of screw dislocation located on the shuffle set of (111) in silicon. Methodologies employed include the molecular dynamics and molecular mechanics simulations with environmental dependent interatomic potentials (EDIP). Simulated is the propagation process of screw dislocation on the shuffle-set in single crystal silicon. We first impose displacement in the perfect silicon and apply molecular mechanics simulation to obtain stable quadrupolar dislocation. With this initial model, we perform molecular dynamics simulation (MD) and obtain Peierls stress. The calculated Peierls stress is approximately 0.0786μ, which is found to be comparable to the value obtained from other studies. In addition, we observe dislocation propagation with double kink mechanism, and obtain velocity of dislocation which is similar to velocity of sound. Large-scale simulation in this study yields more realistic description of bulk silicon.
공간상에 원자가 존재할 경우, 그 원자들 사이에는 서로 당기기도 하고 밀쳐내기도 하는 거리의 함수인 포텐셜이 존재하게 된다. 분자동역학은 이 포텐셜의 미분을 이용하여 입자의 가속도를 구하고, 이 가속도를 바탕으로 원자 단위에서의 원자의 시간에 따른 위치를 시간 적분 방법을 통해 추적하는 방법이다. 이러한 분자 동역학 방법은 실제 실험으로 구현될 수 없는 원자 단위에서의 재료의 거동을 살펴보거나, 재료의 물성을 구하기 위해서 널리 사용되어 왔다. 특히, 대표적인 원자단위의 결함인 공공이나 전위의 모습을 가시화 할 수 있다는 매우 강한 장점이 있다. 본 연구에서는 이러한 분자동역학 방법을 재료의 대표적 기계적 물성인 파이얼스 응력을 구하는 데 사용하였다. 파이얼스 응력은 0K에서 전위가 한 격자에서 다른 격자로 움직이는데 필요한 응력을 일컫는데, 재료의 기계적 거동을 이해하기 위해 필요한 기본 물성이다. 일반적인 실험으로는 여러 온도에서의 실리콘의 항복응력을 구하여 그 값들을 외삽해서 0K에서의 항복응력을 파이얼스 응력으로 정의한다. 하지만 이러한 실험은 실리콘이 취성이 매우 강하여 항복응력을 구하기 위한 변형이 일어나기도 전에 파괴가 일어나버린다는 점과 저온에서의 실험이 어렵다는 한계점을 지니고 있으므로 전산모사의 필요성이 대두된다.
본 논문에서는 실제 실리콘을 대상으로 하여 실제 실험으로 구하기 힘든 파이얼스 응력을 여러 대의 컴퓨터를 이용한 대규모 분자동역학 방법으로 정확하게 구하고자 하였다.
현대 반도체 산업의 기반을 이루는 실리콘은 다이아몬드 구조의 가장 대표적인 재료중의 하나이다. 하지만 복잡한 실리콘의 구조로 인해 실리콘에 대한 이해는 매우 부족한 실정이다. 실제로 온도에 따른 실리콘 재료 내에서 소성 거동을 지배하는 전위의 종류가 무엇인지조차 암묵적인 합의만이 있을 뿐 그에 대한 확실한 이론은 존재하지 않고 있다. 하지만 저온에서는 확실히 완전 나선 전위가 실리콘 재료의 소성 거동을 지배한다는 것이 확인되어 있다. 그러므로 본 연구에서는 저온에서의 완전 나선 전위를 가진 실리콘 시스템을 만들어 실리콘 재료의 파이얼스 응력을 구하고자 하였다. 그동안의 전사모사 연구에서는 간단한 포텐셜을 이용하여 10,000개 대의 원자수에서 파이얼스 응력을 구하거나, ab initio 방법을 이용하여 수 백 개의 원자만을 다루었다. 하지만 본 연구에서는 Quadruple 모델을 도입하여 x, y, z 축으로 모두 주기경계 조건을 부여하였으며, 계산 가능한 최대한 큰 시스템인 110,592개의 원자로 구성된 시스템을 계산함으로써 전위 사이의 거리를 최대한 확보함으로써, 서로 다른 부호를 갖는 전위 간의 간섭 효과도 제거하였다. 또한 실리콘과 같은 다이아몬드 구조에서의 결함을 가장 잘 묘사하는 Environmental dependent interatomic potential을 적용하여 여러 온도에서 전위가 움직이기 시작하는 임계 전단 응력값을 구하여 이 값들을 외삽함으로써 0K에서의 임계 전단응력값을 구하여 파이얼스 응력으로 결정하였다. 최종적으로 본 연구에서는 0.0786μ 의 값을 얻었다. 이는 기존 연구에서 얻었던 값인 (0.55 ~ 0.114)μ 의 범위에 위치함을 확인할 수 있었고, 이 값은 시스템 내에 짝수 개의 전위를 만듦으로써 시스템 내에 생길 수 있는 가상적인 응력을 제거하고, 시스템을 구성하는 원자의 개수가 많은 대규모 분자 동역학 시뮬레이션을 실시하여 서로 다른 부호의 전위의 상호 작용을 제거함으로써, 기존의 방법보다 정확한 값을 얻을 수 있었다.
