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硅基材料广泛应用在半导体工业和核材料领域,而本论文研究的SiO2和SiC是其中的典型代表。SiO2由于极其稳定的化学性质、极佳的绝缘性能以及优良的光学特性使之成为从光学纤维到微电子等多种用途的工程学材料,此外它还是高功率惯性约束裂变项目中候选的光学材料。SiC出色的物理和化学性质,如宽禁带、高热传导性以及化学稳定性等等,使之成为核聚变反应堆中的候选包层和结构材料。上述硅基材料在核领域的应用都处于离子辐照的环境中,因此荷能离子在这些材料中的行为受到了广泛的关注。充分理解荷能重离子与硅基材料的相互作用规律对其在半导体工业和核能系统中的应用有非常重要的意义。虽然对此已有大量的研究结果,但是在新的应用环境中一些辐照损伤效应的物理机制仍不清楚,对此还需要进一步的研究。本论文针对SiO2和SiC中的一些特殊辐照效应,利用经典分子动力学模拟技术研究相关的物理规律和机制。 首先,本论文研究了能量为MeV的重离子在材料中射程的特殊分布。经过几十年的发展,离子在材料中的射程分布已经能够被很好的预测,其中最有代表性的是基于两体碰撞理论的SRIM程序。然而,近年的实验发现SRIM预测的重离子在轻元素靶中的射程与实验的偏差可达到40％。为此,本论文发展了一套分子动力学模拟程序,用以研究重离子在轻靶中的射程,探求上述理论和实验差异的物理机制。通过模拟研究能量范围在20 keV到5250 keV之间的Au和Pb在SiC以及Er在Si中的射程分布,发现基于倒易方法计算的电子能损的分子动力学模拟获得的离子的射程分布与实验结果符合的很好。这些结果说明SRIM程序预测重离子在轻元素靶中的射程与实验的偏离主要来源于电子能损被高估。 其次,潜径迹研究是高能重离子在材料中,特别是绝缘体材料中辐照损伤的一个重要内容。一般认为潜径迹是入射离子的电子能损在材料中的能量沉积高于一定阈值后形成的。但最近的实验研究发现,当离子能量比较低时,即使其电子能损不足以达到临界电子能损也能够形成潜径迹。对此,本论文利用分子动力学方法,系统研究了不同能量的离子在SiO2中形成潜径迹的规律和特性。对于核能损的贡献可忽略的高能离子形成的离子径迹,模拟得到的径迹半径和临界电子能损与之前发表的分子动力学模拟结果以及实验结果符合良好;通过分析径迹中的缺陷分布、缺陷随时间的演化以及缺陷的化学组分等,发现了二氧化硅中的潜径迹由O聚集的非晶区域和Si聚集的点缺陷组成。此外,通过研究能量沉积模型对潜径迹的影响发现,不同的能量沉积模型导致的离子径迹形成过程和特征基本一致,只是由于初始能量沉积分布的不同而导致径迹形成过程中中心区域的稀疏化程度有所差别。 为了研究中等能量的离子形成的潜径迹特点,本论文模拟了0.5 MeV到10MeV的Au离子在二氧化硅中的径迹形成。结果表明,核能损占主导的离子在样品中造成的缺陷分布较为分散,且不同离子辐照在样品中造成的缺陷数目及其涨落随着入射离子能量的升高而降低。在模拟的所有能量中,当离子能量为2.4MeV时,部分核碰撞导致的缺陷在后续电子热效应中会复合,导致缺陷密度下降;而其它能量下没有发现电子能损和核能损有明显的相互作用。 此外,本论文研究了SiC纳米线在低能下的自辐照过程,结果表明纳米线的溅射产额和非晶化程度等辐照损伤特性表现出与体材料不同的特点。 上述工作解释了当前硅基材料的离子辐照损伤研究领域的若干问题,对离子与固体相互作用的理论有一定的发展。同时,本论文的模拟结果对今后的实验工作和硅基材料在辐照环境的实际应用有良好的指导意义。