[发明专利]高温下基于相场模型的硅基微结构形变机理研究方法

摘要

本发明公开了一种高温下基于相场模型的硅基微结构形变机理研究方法，按如下步骤：一、将样本即硅基微结构材料放入一定温度下变软，后将其制成U型圆柱孔状；二、将硅基微结构材料放入高温环境内处理数分钟，得于不同时间段的硅基微结构形态变化状态；三、建立高温下硅微基结构的系统模型。本发明首次利用实验研究与仿真模型于一体的方法对高温下硅基微结构形变机理研究。本发明利用高温原子扩散运动控制硅基微结构成型过程，通过仿真模型能够更加直观的观察硅基微结构的成型变化，从而提出一种加工硅基微结构的新思路。

主权项

1.高温下基于相场模型的硅基微结构形变机理研究方法，其特征是按如下步骤：一、将样本即硅基微结构材料放入88℃环境中经过90秒使其变软，后将其制成U型圆柱孔状；二、将硅基微结构材料放入1150℃环境中处理3分钟，得到于不同时间段的硅基微结构形态变化状态；三、建立高温下硅微基结构的系统模型,系统模型的构建过程：确定模型体系“初态”，包括环境状态、粒子坐标，在模型中，系统的总自由能根据Cahn‑Hilliard model所推导出来的；G代表的是系统的总自由能；其中，f(c)所表达的物理意义是化学能量密度，代表了材料的表面能，系数h是梯度能量系数；变量c代表材料硅原子数量的变化，以下方程(2)是基于Cahn‑Hilliard非线性方程并联合质量守恒定律得到的，因此变量c的表达式为：其中，M表示材料硅原子的移动性,硅原子扩散系数应正比于移动性；变量μ表示变量c的化学势，化学势提供了其演化形变的基本驱动力；将公式(2)中右侧的项转化成下列形式：A为常量，μ₁代表的是变量μ的线性项，代表的是变量μ的非线性项；用Semi‑implicit Backwards Differentiation Formula方法来计算动力方程，以解决方程(2)随时间变化所产生的时间和高阶约束特性；为了适应多尺度计算的复杂性，应用无量纲参数tc＝LC2/M0f0,ch2＝h/LC2f0来定义方程(2)中所涉及的时间和尺寸参数，其中，tc代表特征时间，LC代表特征长度，M0代表的是迁移率系数，f0代表的是材料常数；结合公式(3)、无量纲参数以及有限差分法可将方程(2)转化成以下形式：τ为常量；利用傅里叶变换来推导变量c关于时间和空间的表达式，进而编程运算与仿真分析，