Molecular Dynamics study of defect evolution mechanisms in material of interests for quantum technologies [Studio di Dinamica Molecolare dei meccanismi di evoluzione dei difetti nei materiali di interesse per le tecnologie quantistiche]

Abbiamo studiato la formazione e l'evoluzione dei difetti nel 3C–SiC utilizzando simulazioni di dinamica molecolare classica con potenziali interatomici dipendenti dall'ambiente. Il benchmarking preliminare ha incluso parametri reticolari, energie di formazione dei difetti e calcoli del punto di fusione, tutti in buona accordo con i dati riportati. Il metodo Nudged Elastic Band (NEB) è stato utilizzato per valutare le barriere energetiche di migrazione per le vacanze sia di carbonio che di silicio. Nella fase successiva, sono state eseguite simulazioni di impianto ionico basate sulla dinamica molecolare su una supercella 3C–SiC da 13.825 atomi, iniettando atomi di silicio con energie fino a 300 eV. Un numero considerevole di coppie di Frenkel si è formato entro i primi picosecondi della simulazione. La successiva ricottura ha portato alla diffusione dei difetti puntiformi e alla stabilizzazione delle regioni di danneggiamento contenenti vacanze, interstiziali e antisiti, che sono persistite anche dopo cicli di ricottura prolungati. Per chiarire i percorsi di formazione dei complessi di spin, il comportamento della diffusione è stato analizzato utilizzando due approcci complementari: il metodo dello spostamento quadratico medio (MSD) e un metodo di conteggio della frequenza basato sul centro di massa (COM). Analisi di Voronoi e di rottura sono state applicate per tracciare i salti atomici. Mentre il metodo MSD fornisce una stima semplice della diffusività, manca di risoluzione atomistica; al contrario, l'approccio COM consente un tracciamento microscopico preciso. L'analisi statistica delle transizioni ha rivelato che i tempi di inter-salto seguono una distribuzione esponenziale. Le discrepanze tra le due stime di diffusività hanno motivato una simulazione di cammino casuale all'interno del reticolo 3C-SiC, che ha mostrato come il rumore stocastico possa influenzare i singoli valori derivati ​​dall'MSD, sebbene le medie d'insieme convergano verso la diffusività basata sulla frequenza. Tra i due, il metodo della regola di frequenza è emerso come l'approccio più stabile e affidabile per la valutazione della diffusività. I coefficienti di diffusione risultanti sono stati adattati all'equazione di Arrhenius per estrarre le barriere di migrazione, confermando che gli interstiziali del carbonio (I_C) diffondono più facilmente delle vacanze del carbonio (V_C). Infine, sono state esaminate le interazioni chiave dei difetti, rivelando che l'annichilazione I_C–V_C e la formazione di divacanze (V_C–V_Si) dominano in condizioni di non equilibrio, portando infine all'emergere di complessi di difetti portatori di spin con potenziali applicazioni nei materiali quantistici.

Grantor dc:publisher

Università degli studi di Catania

Year dc:date

2026

Author dc:creator

• ASHRAF, IRSLAN ULLAH

Contributors dc:contributor

• PALADINO, ELISABETTA

• Density Functional Theory (DFT)
• Molecular Dynamics (MD)
• First Principle Molecular Dynamics (FPMD)
• Nudged Elastic Band Method (NEB)
• Mean Square Displacement (MSD)
• Diffusion Coefficient (D)
• Activation Barrier (Ea)
• Potential of Mean Force (PMF)
• Adaptive Biasing Force (ABF)
• Binary Collision Approximation (BCA)
• Monte Carlo (MC)
• Open Volume Point Defects (OVPD)
• Super Lattice Kinetic Monte Carlo (SIKMC)
• Ziegler Biersack Littmark (ZBL)
• Norgett Robinson Torrens (NRT)
• Center of Mass (COM)
• Di Vacancy (VV)
• Carbon Vacancy (V_C)
• Silicon Vacancy (V_Si)
• Interstitial Carbon (I_C)
• Interstitial Silicon (I_Si)
• Kinetic Monte Carlo (KMC)
• Carbon Antisite Vacancy (CAV)
• Two Temperature Model (TTM)
• Kinetic Atomic Relaxation Technique (k-ART)
• Primary Knock-out Atoms (PKA)
• Defect Formation Energy (DFE)
• Teoria del funzionale della densità (DFT)
• Dinamica molecolare (MD)
• Dinamica molecolare del primo principio (FPMD)
• Metodo della banda elastica spinta (NEB)
• Spostamento quadratico medio (MSD)
• Coefficiente di diffusione (D)
• Barriera di attivazione (Ea)
• Potenziale di forza media (PMF)
• Forza di polarizzazione adattiva (ABF)
• Approssimazione di collisione binaria (BCA)
• Difetti di punto di volume aperto (OVPD)
• Monte Carlo cinetico a super reticolo (SIKMC)
• Centro di massa (COM)
• Vacanza Di (VV)
• Vacanza di carbonio (V_C)
• Vacanza di silicio (V_Si)
• Carbonio interstiziale (I_C)
• Silicio interstiziale (I_Si)
• Monte Carlo cinetico (KMC)
• Vacanza antisito del carbonio (CAV)
• Modello a due temperature (TTM)
• Tecnica di rilassamento atomico cinetico (k-ART)
• atomi knock-out primari (PKA)
• energia di formazione del difetto (DFE)

Statement dc:rights

• info:eu-repo/semantics/openAccess
• license:PUBBLICO - Pubblico con Copyright
• license uri:iris.PUB02

Language dc:language

eng

Handle dc:identifier

https://hdl.handle.net/20.500.11769/705909

OAI identifier oai:identifier

oai:www.iris.unict.it:20.500.11769/705909