你可能不知道：一块看似光滑的硅片，在原子尺度下其实是个“动态舞台”——硅原子会牵手成对、氢原子来回穿梭，甚至在高温下“提前融化”，像出汗一样形成一层“准液态”。这些微观行为，直接影响芯片制造的质量。
最近，中国科学院上海微系统与信息技术研究所李湃、魏星研究员团队在 Small 期刊发表了一项研究，首次系统揭示了硅（001）表面在不同温度和氢气环境下的演化规律，并捕捉到它在熔化前的“预熔化”现象。而这一切，离不开一个关键工具：深度势能（Deep Potential, DP）。
硅表面为何如此“善变”？
硅是芯片的“地基”，其中 Si(001) 晶面因结构规整、易于控制，被广泛用于半导体工艺。但它的表面并不“老实”：裸露时，硅原子会两两配对，形成“二聚体”；一旦通入氢气，氢原子就会附着在表面，改变原子排布，甚至引发刻蚀。
图1. Si(001) 表面在不同氢覆盖度下的典型结构（a）无氢的 c(4×2) 相；（b）半氢化 (2×2)-Hhalf 相；（c）(2×1)-H 相；（d）(3×1)-H 相；（e,f）(1×1)-H 相及其倾斜变体。白色为氢原子，黄色为表层 Si，紫色为下层 Si。
实验上早已观察到多种氢化结构（比如 (2×1)-H、(3×1)-H 等），但一直缺乏一个统一理论回答：什么条件下会出现哪种结构？温度和氢气压力如何影响表面稳定性？
传统第一性原理计算（如 DFT）虽然精准，但算几百个原子就要耗费大量时间，更别说模拟上千原子在高温下的长时间演化了。这时候，DP 出场了。
DP：让AI学会量子力学，又快又准
研究团队用 DFT 数据训练了一个DP机器学习力场（MLFF），让它“学会”原子间的相互作用规律。训练好的 DP 模型，精度接近 DFT，但计算速度提升几个数量级——这意味着，以前算不动的问题，现在可以轻松模拟！
借助 DP + 巨正则蒙特卡洛（GCMC）方法，团队首次构建了 Si(001) 表面的温度–氢压相图，清晰展示了表面结构如何随环境变化：
低温 + 中等氢压 → (3×1)-H 相占主导；
高温 + 高氢压 → 表面被氢“全覆盖”，形成稳定的 (2×1)-H 相；
高温 + 低氢压 → 氢全部脱附，回归裸露的 c(4×2) 二聚体结构。
这张相图不仅解释了多年实验现象，还标出了芯片制造中常用的工艺窗口（见图2粉红框），为实际生产提供指导。
图2. Si(001) 表面温度–氢压相图。颜色代表氢覆盖度，虚线为相变边界。周围的插图展示了相邻相之间过渡区中随机的表面氢覆盖结构。红色点代表观察到裸露硅（001）表面的实验条件，蓝色点表示观察到单氢化物表面的实验条件。半透明粉红色方框用于标注薄膜沉积工艺中常用的典型（T，P）参数范围。
硅片也会“出汗”？DP揭示预融化真相
更令人惊喜的是，团队利用 DP 对无氢的裸硅表面进行了高温分子动力学模拟（体系含上千原子，模拟时间达纳秒级）。结果发现：
当温度升到约1400 K（约1127℃）时，尽管整体硅还没熔化（熔点约1687 K），表面却已开始“软化”——二聚体解离，原子在平面内自由流动，形成一层类似液体的“准液态层”。这种“表面先熔、内部仍固”的现象，叫预熔化（premelting）。它就像冰在0℃以下表面也会微微湿润一样，是材料在熔点前的“热身动作”。
DP 模拟给出的预熔化区间（1300–1687 K）与实验高度吻合，潜热也准确预测为0.19 eV/原子（体相熔化为 0.46 eV/原子）。这是首次在原子尺度清晰捕捉到硅表面的这一过程。不仅能算，还能“看得见”。
图3. Si(001) 裸表面随温度演化的势能与二聚体序参数变化。橙色双箭头标出的温度区间为实验测得的预熔化温度范围，上方为不同温度下的原子结构快照。
为了让实验科学家更容易验证，团队还基于 DP 模拟生成了不同氢化相的扫描隧道显微镜（STM）图像 和 红外光谱（IR）。例如：
(2×1)-H相的 Si–H 振动峰在 2185 cm⁻¹；
(3×1)-H出现双峰，移到 2198 cm⁻¹；
全氢化的(1×1)-H 则高达 2220 cm⁻¹。
这些“指纹信号”与实验光谱几乎一致，相当于给表面结构配了一本“识别手册”。
图4. 不同氢覆盖度下硅（001）表面的模拟扫描隧道显微镜图像与红外振动光谱。红色箭头标示特征振动模式，对应的频率标注于下方。
小结：DP正在改变材料模拟的边界
这项工作再次证明：DP 不只是加速器，更是探索者。
1. 它让复杂表面的热力学采样成为可能；
2. 它揭示了实验难以直接观测的原子演化过程；
3. 它连接了理论与实验，为半导体工艺提供原子级洞察。
未来，该方法将拓展至 Si(111)、Si(110) 等更多晶面，甚至用于异质界面、缺陷动力学等更复杂场景。DP，正在成为新材料研发不可或缺的“数字显微镜”。
相关论文：
[1] Zhong H., Xue Z., Li P., Wei X. Theoretical Study on the Thermodynamics of Si(001) Surface, Small, 2025, 21, e05284. DOI: 10.1002/smll.20250528
