通过低密度空化在计算上生成 a-Si 与 a-Si:H 中的空隙

非晶硅（$a$-Si）与氢化非晶硅（$a$-Si:H）在光伏中的应用受到光致退化（Staebler-Wronski 效应）与低空穴迁移率的限制，而空隙与这两个问题均有关联。准确建模空隙微观结构对于从理论上理解这些问题的成因至关重要。先前建模空隙的方法涉及根据空隙结构的先验观念移除原子和/或使用计算昂贵的分子动力学。我们提出了一种基于已确立且高效的 Wooten-Winer-Weaire（WWW）蒙特卡洛方法的新颖快速且无偏的方法，通过使用一系列固定密度来生成保持四配位的 $a$-Si 与 $a$-Si:H 平衡结构。我们发现在平衡密度 $4.9\times10^{22}\$atoms/cm$^3$ 附近改变密度时，键长、键角与键角偏差 $\Delta \theta$ 平滑演化。然而，在密度低于 $4.3\times10^{22}\$atoms/cm$^3$ 时发生了显著变化，此处空隙开始形成以缓解拉伸应力，类似于液体中的空化过程。我们发现了小空隙（半径 $\sim$3 \AA）与较大的空隙（可达 7 \AA），其与现有实验数据吻合良好。空隙对超出空隙表面达 4 \AA 的原子结构有影响，并与由 $\Delta\theta$ 衡量的结构有序度下降相关。我们还观察到随密度增加的中程二面角有序度增加。我们的方法允许快速生成统计系综，类似于实验沉积期间的物理过程，并提供了一组空隙结构以进一步研究其对退化、空穴迁移率、双能级系统、热传输与弹性性质的影响。