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文|可乐

编辑|可乐

在当今科学与工程机械领域，半导体材料的研究一直处于不断发展和演进的前沿。其中，铟锑（InSb）半导体材料因其卓越的热电性能，近年来引起了广泛的研究兴趣。

尽管其电学和热学性能已经得到了广泛的关注，但对其力学、机械性能的深入研究却相对不足。本文将探讨铟锑半导体材料的机械性能，特别关注孪晶界工程的影响以及掺杂对其性能的影响。

铟锑半导体材料强韧性的孪晶界工程

大多数半导体 TE材料的强度相对较低，导致制造残余应力和工作状态下的热应力诱发裂纹。

优异的塑性可以提高TE材料的变形能力，这有利于其在柔性电子器件中的应用。TE 材料强大的机械性能对于 TE 器件的可靠性至关重要。

作为最有潜力的III-V族半导体TE材料之一，铟 锑（InSb）已经实现了高于1.0的ZT，近年来引起了越来越多的关注，但其力学性能缺乏更深入的研究。

在材料科学中，孪晶界（TB）的存在可以显著增强金属、陶瓷和半导体等材料的强度和塑性。

对于半导体材料InSb，研究发现，通过调整孪晶界的结构，可以将其理想强度提高11％。

引入孪晶界还可以显著增强InSb的塑性，这对于其在柔性电子器件中的应用非常有利，因此，孪晶界在提高InSb材料的机械性能和稳定性方面具有重要作用。

我们使用分子动力学模拟（MD）方法，探讨了孪晶界间距、取向和掺杂对InSb材料强度和韧性的影响。

通过调整孪晶界的结构，例如将间距设定为1.12纳米、取向为43.31度，可以显著提高InSb的理想强度和断裂韧性，分别提高了56.2%和34.3%。

在适量的掺杂下，InSb的强度和机械性能可以进一步提高。

我们采用了Tersoff势来模拟In-Sb共价键的相互作用，并验证了其可靠性，模拟结果与实验数据和密度泛函理论结果吻合良好，表明所采用的势函数适用于研究InSb的塑性行为和失效机制。

InSb是一种掺锌结构的半导体，其晶格参数a为6.476 Å ，它属于F3M空间群，其中In和Sb分别位于4a (0, 0, 0) 和4c (0.25, 0.25, 0.25) 位置。

InSb的孪晶界面（TB）位于（111）晶面上，而靠近TB的晶体在和方向上具有对称性，最小的纳米孪晶结构（NT）仅由3层堆叠组成。

TB间距λ的范围从1.12 nm（相当于3层堆叠的厚度）到6.73 nm（相当于18层堆叠的厚度），而TB的取向α可在0°到180°之间变化。

具有不同λ和α值的NT模型的比例和模型尺寸列在文中的补充材料中也有着具体说明。

NT模型的不同掺杂比例x通过在In原子位置随机引入Al或Ga，或者用N、P、As替代Sb来实现。

NT模型的原子尺寸和模型尺寸与不同掺杂比例x的情况列在SM的实验结果中，Al-Sb、Ga-Sb、In-N、In-P、In-As之间的共价键相互作用使用了经过文献拟合的Tersoff势函数来描述。

为了验证该势函数的适用性，我们将通过Tersoff势函数计算的晶格参数a、弹性常数C11、C12、C44和体积模量B 与实验数据以及密度泛函理论（DFT）结果进行了比较，这些数据列在SM的另一实验结果中。

我们还比较了Tersoff势函数和DFT计算结果得出的掺杂InSb的GSFE曲线，验证了Tersoff势函数在研究大变形掺杂效应方面的可靠性。

GSFE曲线显示，P掺杂InSb和As掺杂InSb的不稳定堆垛能γust非常接近，而N掺杂InSb和Ga掺杂InSb的γust也非常接近。

与DFT结果相比，Tersoff势函数计算的GSFE曲线与γust之间的这些关系非常吻合，因此Tersoff势函数可以很好地反映掺杂对InSb塑性的影响。

铟锑半导体中孪晶界工程对力学性能的影响

InSb的力学性能是通过使用大型原子分子大规模并行模拟器（LAMMPS）进行上述模型的剪切变形来获得的。

我们沿着三个维度都设置了周期性边界条件，以避免表面效应的影响，在施加剪切载荷之前，所有系统都在等温等压（NPT）系综下经过了完全的松弛。

各向同性恒压器的压力设置为0帕斯卡，同时使用Nose-Hoover恒温器在300K下进行了100皮秒的恒温。

在施加剪切载荷后，我们采用剪切应变率为1 × 10 -9 s -1，在规定规范的（NVT）系综下进行模拟，并使用Nose-Hoover恒温器在300K下保持温度稳定，每0.1皮秒进行一次温度更新，直到系统失效。

我们使用了在我们之前的研究中提出的方法来估计断裂韧性，为了进一步分析结构，我们利用了开放可视化工具（OVITO），并应用了位错分析（DXA）。

我们讨论了TB取向对InSb机械性能的影响，根据在补充材料（SM）中所示的不同TB取向α下的纳米孪晶（NTs）的剪切响应曲线，可以观察到理想强度σi随α的变化。

除了σi之外，我们还计算了断裂韧性，由于我们的研究中所有的模拟都是在面内施加剪切载荷进行的，因此我们从剪切响应曲线中提取了II型断裂韧性KIIc，其遵循以下方程：

其中μ为剪切模量，v为泊松比，G IIc等于工程剪应力-位移曲线下的面积，为了定量地了解TB取向对力学性能的影响，实验结果记录了不同α下σ i和K IIc的变化，我们根据σ i 找到了两个局部极大点。

它们分别对应于最佳的TB方向：α = 43.31° 和α = 133.31°，然而，α = 43.31° 的K IIc 最大（0.232 MPa·m^1/2），而α = 133.31° 的K IIc 较低（0.183 MPa·m^1/2），接近单晶（0.178 MPa·m^1/2）。

为了解这种差异，我们使用OVITO中的DXA（位错分析）来研究在结构失效期间激活的位错。

在NTD InSb 中，我们发现了三种不同的初始激活位错分支，这些位错可能导致堆叠或滑移，穿越TB平面。

α = 43.31° 和α = 133.31° 的NT 中，初始激活位错分别为(111)和(001)，两者都会导致穿越TB的滑移。

由于TB对位错的阻挡，具有这些取向的NT具有最高的σ i，此外，我们还进行了第一原理计算，研究了这些滑移面上的滑移能和解理能。

(100)面上的滑移能和解理能之间的能量差（394.8 mJ/m^2）小于(111)面上的滑移能和解理能之间的能量差（820.2 mJ/m^2）。

这意味着沿(100)面的滑移比沿(111)面的滑移更容易引起解理，因此，α = 133.31° 的NTD InSb 比α = 133.31° 的NTD InSb 更脆。

α = 43.31°，导致α = 133.31°的K IIc 大幅降低，因此，α = 43.31° 是NTD InSb 中最佳的TB 取向，其σ i 和K IIc 均最佳，分别比α = 133.31° 高出54.7% 和30.3%，分别接近单晶。

我们还根据InSb的变形模式探讨了不同α下的TB 间距λ 对InSb力学性能的影响。

对于由(111)引起的堆叠的α = 13.26° 的NTD InSb 位错，TB 间距对机械性能的影响较小，这与我们之前的工作结果一致。

对于由(111)引起的沿TB 的滑移的α = 90° 的NTD InSb 位错，TB 间距没有影响，因为位错迁移未受到TB 的阻挡。

对于(111)引起的跨越TB 滑移的α = 103.31° 的NTD InSb 位错，减小 TB 间距会导致理想强度的增加，这是由于 TB 处位错受阻而产生的Hall-Petch效应，我们还证实了这些 TB 间距效应在其他α的NT 中同样有效。

强化InSb热电半导体机械性能和掺杂效应

InSb的最佳α = 43.31°的NTD变形模式是通过跨越TB的滑移来实现的，因此，我们将TB间距λ从6.73 nm减小到1.12 nm，并获得了更出色的机械性能。

当NTD InSb的α = 43.31°且λ减小到1.12 nm时，σ i达到了7.19 GPa，K IIc达到了0.239 MPa m^1/2，分别比单晶提高了56.2%和34.3%。

InSb常常通过同族元素掺杂，如Al、Ga、N、P和As，来优化其电学和热学性能，在这里我们深入研究了这些掺杂元素对NTD InSb机械性能的影响。

在本研究中显示了不同掺杂NTD InSb在不同掺杂比x下的σ i 和极限应变ε u 曲线，SM提供了不同掺杂NTD InSb的剪切应力-应变曲线。

实验结果的局部放大部分可以看出，在低x值时，As掺杂NTD InSb的σ i 和ε u 几乎不变，而其他掺杂NTD InSb的σ i 和ε u 随x的增加而减小。

然而，在高x值时，As、N和P掺杂NTD InSb的σ i 随着x的增加而显著提高，而As掺杂NTD InSb的ε u 仅在x增加时略微增加，因此As掺杂被证明是提高NTD InSb机械性能最有效的方法。

我们还通过计算不同NTD III-V化合物的剪切应力-应变曲线，并在相互地对比过后中比较它们的σ i 和K IIc，进一步阐明了这一点。

结果显示，NTD InAs具有第二高的σ i 和最高的K IIc，表明通过引入In-As共价键，As掺杂可以增强NTD InSb的强度和韧性。

NTD InN具有最高的σ i，但是N掺杂在低x值下显著降低了σ i，因此除了新化学键的引入外，掺杂的稳定性也需要考虑。

我们利用第一原理计算了不同掺杂InSb的晶格参数a和替代能E sub，其定义如下：

以上研究探讨了TB（取向）对InSb的机械性能，以及掺杂、TB取向和间距之间的复合影响，具体而言，我们关注了不同TB取向、TB间距和掺杂对InSb的理想强度和断裂韧性的影响。

不同的变形模式，包括堆叠、沿着TB滑移和跨越TB滑移，导致了不同的机械性能响应。

通过精确调整TB取向，我们发现当滑移穿越TB时，减小TB间距可以通过Hall-Petch效应来增强材料的机械性能。

具体来说，我们的研究表明，在TB取向为43.31°且TB间距为1.12 nm的情况下，NTD InSb具有最佳的机械性能，其理想强度和断裂韧性分别比单晶高出56.2%和34.3%。

我们还研究了不同掺杂对NTD InSb机械性能的影响，结果显示，As掺杂引入了更强的In-As共价键，其晶格参数与In-Sb共价键相匹配良好。

As掺杂在低掺杂比例下可以保持机械性能稳定，而在高掺杂比例下可以提高机械性能。

这项研究为设计坚固的热电半导体InSb并提供了有用的参考，此外这些发现还有助于深入理解在界面或位错之间的相互作用，对未来的研究也具有重要意义。

As掺杂对NTD InSb机械性能的积极影响，以及其在工程设计中的广泛应用潜力使其成为材料科学和工程领域的重要发现之一。

这项研究为我们提供了新的工具和思路，有望推动热电材料和其他领域的创新发展。