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]

We investigated the formation and evolution of defects in 3C–SiC using classical molecular dynamics simulations with environment dependent interatomic potentials. Preliminary benchmarking included lattice parameters, defect formation energies, and melting point calculations, all showing good agreement with reported data. The Nudged Elastic Band (NEB) method was used to evaluate migration energy barriers for both carbon and silicon vacancies. In the next phase, molecular dynamics based ion implantation simulations were carried out on a 13,825 atom 3C–SiC supercell by injecting silicon atoms with energies up to 300 eV. A considerable number of Frenkel pairs formed within the first few picoseconds of the simulation. Subsequent annealing led to the diffusion of point defects and the stabilization of damage regions containing vacancies, interstitials, and antisites, which persisted even after extended annealing runs. To elucidate the pathways for spin complex formation, diffusion behavior was analyzed using two complementary approaches, the mean squared displacement (MSD) method and a center-of-mass (COM) based frequency count method. Voronoi and rupture analyses were applied to track atomic jumps. While the MSD method provides a straightforward estimate of diffusivity, it lacks atomistic resolution, in contrast, the COM approach enables precise microscopic tracking. Statistical transition analysis revealed that inter jump times follow an exponential distribution. Discrepancies between the two diffusivity estimates motivated a random walk simulation within the 3C–SiC lattice, which showed that stochastic noise can affect individual MSD derived values, although ensemble averages converge toward the frequency based diffusivity. Among the two, the frequency rule method emerged as the most stable and reliable approach for diffusivity evaluation. The resulting diffusion coefficients were fitted to the Arrhenius equation to extract migration barriers, confirming that carbon interstitials ($I_C$) diffuse more readily than carbon vacancies ($V_C$). Finally, key defect interactions were examined, revealing that $I_C$–$V_C$ annihilation and divacancy ($V_C$–$V_{Si}$) formation dominate under non equilibrium conditions, ultimately leading to the emergence of spin bearing defect complexes with potential applications in quantum materials.

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.