Molecular Dynamics Study on Tip-Based Nanomachining:A Review

Analyse van simulatieresultaat

Snijkrachtanalyse

De snijkracht zou duidelijk het materiaalverwijderingsproces en het defect van de evolutie kunnen weerspiegelen, wat een belangrijke fysieke parameter is om het snijverschijnsel te begrijpen [19, 63, 64]. Bovendien hangt de snijkracht nauw samen met het snijvermogen en de standtijd, wat een leidraad zou kunnen zijn bij het TBN-bewerkingsproces [65]. In het TBN-proces wordt de snijkracht voornamelijk geëvalueerd door de krachtkalibratiemethode, maar de laterale kracht kon met deze methode niet worden verkregen [66, 67]. Door gebruik te maken van moleculaire dynamica-technologie kan de variatie van snijkrachten, inclusief laterale en tangentiële krachten, in realtime worden waargenomen voor het hele proces [68]. Bovendien kunnen de gemiddelde kracht en resulterende kracht ook worden opgepikt via de MD-simulatiemethode.

Hoewel de analyse van snijkrachtvariatie, het verschil van verschillende materiaalstructuren en de invloed van bewerkingsparameters op het TBN-proces kan worden weerspiegeld. Li et al. hogere krachten gevonden voor krassen op polykristallijn Cu vergeleken met het eenkristal Cu wordt toegeschreven aan het feit dat de anisotropie van de oppervlaktekorrel weinig effect heeft tussen het werkstuk en de punt wanneer de punt van de ene korrel naar de andere korrel met verschillende kristaloriëntaties gaat, terwijl de stabiele kunststofstroom wordt aangetoond in materiaalverwijdering van eenkristal Cu dankzij het enkele oriëntatiesysteem [25]. Er is ook gevonden dat de snijkracht voor verschillende kristalstructuren toeneemt met de toename van de snijsnelheid, omdat een hogere nanoscratching-snelheid meer chips produceert [69]. Integendeel, de verandering van snijkracht geeft een negatief gedrag in het krasproces van SiC, omdat een hogere snelheid meer amorfe kristalstructuuratomen kan genereren, waardoor het SiC-materiaal taaier en gemakkelijker te verwijderen is [70]. Yan et al. onderzocht de verwerkbaarheid van Cu / Ni-dubbellagen met behulp van de MD-simulatiemethode en ontdekte dat de kracht van Ni-Cu-dubbellagen hoger is in vergelijking met Cu, Ni en dubbellagen Cu-Ni, omdat de beweging van dislocaties werd belemmerd door de interface van dubbellagen die diende als een barrière voor voortplanting [71]. Wat betreft amorfe polymeren, de bewerkingseigenschap werd als volgt beïnvloed door de krassnelheid in drie verschillende aspecten [72]:ten eerste leidt de grotere opstapelingshoogte voor de punt die met hogere snelheid wordt gegenereerd tot een grotere tangentiële kracht vanwege meer weerstand tegen de punt. Een hogere snelheid leidt dan tot een hogere vervormingssnelheid, wat kan leiden tot rekverharding van het materiaal. Dit zou ook leiden tot de toename van snijkrachten. Ten slotte, met de toename van de snelheid, zorgt het thermische zachtheidseffect ervoor dat het werkstuk gemakkelijker kan worden bewerkt, waardoor de tangentiële kracht en normaalkracht worden verminderd. In de bewerkingsprocessen van polymeren nemen de snijkrachten toe met de toename van de snelheid, wat aangeeft dat de opstapeling en het verhardingseffect van de reksnelheid een belangrijkere rol spelen bij het bepalen van de kraskrachten. Naast de invloed van de werkstukmaterialen speelt de puntgeometrie ook een belangrijke rol in het bewerkingsproces [18, 73, 74]. Ren et al. onderzocht het effect van punthoeken op snijkrachten met kegelvormige punt. Het blijkt dat krachten toenemen met toenemende semi-apexhoeken als gevolg van groei van het contactoppervlak tussen tip en werkstukmaterialen [21]. Bovendien neemt de wrijvingscoëfficiënt sterk af met semi-apex, terwijl de hardheid toeneemt [75].

Sommige wetenschappers hebben ook de variatie van de snijkracht in specifieke bewerkingsomstandigheden onderzocht. Ren et al. analyseerde de correlatie tussen de dikte van de waterlaag en de krassende krachten. Variatie van kraskrachten met verandering in waterlaagdikte wordt getoond in Fig. 3. In tegenstelling tot het macrokrasproces waarbij de waterlaag voornamelijk een rol speelt bij smering en vermindering van snijkracht, is de weerstand van de waterlaag dominant in vergelijking met het smerende effect en de dikkere waterlaag leidt tot grotere totale snijkrachten [60]. Daarnaast wordt het effect van tipinclinatie ook besproken door de analyse van hardheid (normaalkracht per atoom) en wrijvingscoëfficiënt [59]. De resultaten laten zien dat de normale hardheid gevoeliger is in voorwaartse of achterwaartse richting in vergelijking met het effect van de zijdelingse helling van de punt kan worden verwaarloosd. Bovendien is het kanteleffect op de normaalkracht de belangrijkste reden voor de verandering van de wrijvingscoëfficiënt en is het kanteleffect op de kraskracht veel minder dan het effect op de normaalkracht.

een Variatie van gemiddelde kraskrachten bij verandering in waterlaagdikte:a tangentiële krachten en b normaalkrachten [60]

Door de snijkracht tussen statisch ploegen en dynamisch ploegen te vergelijken, kan het verschil in mechanisme worden onthuld. De snijkracht in de dynamische ploeglithografie oscilleert drastisch met het periodiek tikken van de diamantpunt, terwijl bij statisch ploegen lichte fluctuaties worden waargenomen. Bovendien is de gemiddelde bewerkingskracht bij dynamisch ploegen kleiner dan de helft van die bij statisch ploegen, wat wijst op minder slijtage van de punt in de dynamische ploeglithografie [19]. Bij het dynamische ploegproces heeft de puntoriëntatie een grote invloed op de snijkracht. Yan et al. combineerde de groefdiepte en ploegkracht om de bewerkingsefficiëntie te vergelijken. De resultaten laten zien dat de zijdelingse voorkant van de punt de beste efficiëntie heeft, omdat deze dezelfde ploegkracht had als de oriëntatie met de voorkant van de punt, maar tegelijkertijd meer dan tweemaal de groefdiepte [63]. Door de analyse van snijkrachten kon het mechanisme van het TBN-bewerkingsproces met verschillende materialen en bewerkingsomstandigheden verder worden uitgelegd. Bovendien zou de vergelijking van snijkrachten in verschillende verwerkingsmodi een leidraad kunnen zijn voor de procesoptimalisatie van de TBN-aanpak.

Statusanalyse materiaalverwijdering

Analyse van de toestand van materiaalverwijdering is ook een essentiële methode om het mechanisme van de TBN-benadering te onthullen. De verwijdering van het materiaal en de topografie in het bewerkingsproces worden meestal waargenomen via scanning-elektronenmicroscoop (SEM) en AFM. De groefmorfologie en verwijderingstoestand kunnen echter alleen worden gedetecteerd na verwerking en het materiaalverwijderingsproces kon niet dynamisch worden begrepen. Onlangs hebben Zhang et al. gebruikte lineaire snijgereedschappen die direct in SEM zijn aangesloten om het spaanvormingsproces bij het snijden van materiaal te zien, terwijl deze methode gecompliceerd is en SEM moet worden aangepast [76]. Deze methode is dus moeilijk te generaliseren. In vergelijking met de experimentele methode kan de MD-simulatiemethode gemakkelijk worden gebruikt om het materiaalverwijderingsmechanisme en de oppervlaktegeneratie op nanoschaal te onderzoeken, en het bewerkingsproces kan in realtime worden waargenomen via de MD-methode.

Uit MD-simulatieresultaten van het TBN-proces is bekend dat de vervormingstoestanden worden geclassificeerd in ploegtoestand en snijtoestand. Met de beweging van de punt worden de atomen van het werkstukmateriaal vóór de punt samengeperst en hopen zich vervolgens op om de continue spaan te vormen tijdens de snijtoestand. Tegelijkertijd zijn er ook enkele atomen van het werkstukmateriaal die zich opstapelen aan de linker- en rechterkant van de gefabriceerde groef na het passeren van de punt [57]. Door de verhouding van de snijtoestand tot de niet-snijdende toestand te vergelijken, kunnen we bepalen of de maaitoestand of de ploegtoestand het dominante deel inneemt wanneer de verschillende puntradius wordt gebruikt om op de verschillende krasdieptes te krabben [77]. De afgelopen jaren hebben veel wetenschappers de materiaaleigenschappen op de materiaalverwijderingstoestanden verder onderzocht. Eenkristallijn materiaal vertoont bijvoorbeeld anisotropie in het TBN-proces, wat een groot effect heeft op de materiaalverwijdering [20]. Vergeleken met monokristallijne materialen hebben korrelgrenzen een belangrijk effect op de mechanische eigenschappen van polykristallijne materialen. Gao et al. vond dat korreloriëntatie in plaats van korrelgrootte ook dominant is bij het bepalen van het profiel van de stapeling [78]. Bovendien heeft de puntgeometrie ook een sterk effect op de materiaalafname. Drie typen tip (conische, driehoekige piramide en halfronde tip) werden geselecteerd om het effect van de tipgeometrie op de materiaalverwijderingstoestand te onthullen. Voor de conische punt is er een duidelijke afhankelijkheid van de halve tophoek. Een grotere halve apexhoek van de punt leidt tot meer spaanvolume en verbetert de gladheid van het krasoppervlak, maar vereist een hogere kraskracht, genereert een grotere wrijvingscoëfficiënt en een hogere temperatuur in het werkstuk, en vergroot de schade aan de ondergrond [40]. Alhafez onderzocht ook het effect van de halve apexhoek op de vorming van pile-up [75]. Gebleken is dat bij het krassen met een kleine halve apexhoek van de punt, de ophoping meestal in voorwaartse richting accumuleert, terwijl de laterale ophoping domineert voor de bewerkingsconditie van de grote halve tophoek van de punt. Sommige onderzoeken waren gericht op de driehoekige piramidale punt die consistent is met de echte geometrie van de punt in een op AFM gebaseerd bewerkingsproces [19, 20, 63, 79]. Er werden voornamelijk drie bewerkingsrichtingen vergeleken, namelijk edge-forward, face-forward en sideface-forward. In het bewerkingsproces van SiC kan de materiaalverwijderingstoestand eenvoudig worden geregeld door de krasrichting van het gereedschap aan te passen. De edge-forward scratch-richting kan zorgen voor een stabieler proces, wat kan resulteren in een betere maatnauwkeurigheid en consistentie van de verkregen groeven [79]. De materiaalverwijderingstoestand van polymeren is echter gevoeliger voor temperatuur in vergelijking met metalen of halfgeleidermaterialen. Tijdens het krasproces is de lokale temperatuur in de kraszone hoger dan de glasovergangstemperatuur, wat aangeeft dat het werkstuk in de kraszone op een ductiele manier kan worden verwijderd [72]. Zhan et al. onderzocht de microscopische wrijvingsmechanismen van amorf polystyreen. Ze ontdekten dat de flexibiliteit van de molecuulketens toeneemt met de temperatuurstijging, waardoor de molecuulketens gemakkelijker kunnen krullen en terugkeren naar hun oorspronkelijke staat [56]. Du et al. ontdekte dat de bewerkingssnelheid een grote invloed heeft op de machinale resultaten van polystyreen. De verandering binnen de keten domineert de permanente vervorming van polystyreenmonsters wanneer de bewerkingssnelheid klein is, terwijl het glijden tussen de ketens meer uitgesproken is wanneer de bewerkingssnelheid groot is [80].

Zoals uit de bovenstaande discussie blijkt, waren de meeste onderzoeken vooral gericht op de droge toestand in plaats van op vloeistoffen. Atomen die zich vóór het gereedschap ophopen, worden echter verminderd en de bramen langs de groeven zijn niet duidelijk bij een hoge dikte van de waterlaag en de oppervlakteruwheid neemt zichtbaar af en resulteert in een relatief glad oppervlak. Het kan worden uitgelegd dat de waterlaag fungeert als smeermiddel om het plakgebied tussen het gereedschap en het vers gevormde spaanoppervlak te verminderen en de weerstandskracht te verminderen die wordt vertoond op de grens van het spaan-gereedschapvlak. Het directe gevolg is dat de oppervlaktekwaliteit sterk verbetert. Met het toenemen van de dikte van de waterlaag kan de oppervlaktekwaliteit geleidelijk worden verbeterd [60]. In sommige nieuwe bewerkingsbenaderingen hebben Shockly et al. onderzocht de effecten van parameters (impactsnelheid, impacthoek en bedrijfstemperatuur) in de door trillingen ondersteunde nano-impactbewerking op de vorming van nanocavity en ontdekte dat de operationele parameters substantiële invloed hebben op de diepte en breedte van de gegenereerde nanocavities zoals getoond in Fig. 4 [61]. Xiao et al. ontdekte dat de diepte en breedte van de groef in het dynamische ploegproces kleiner zijn dan die in het statische ploegproces, wat betekent dat nanostructuren met kleine functies kunnen worden vervaardigd door dynamische ploeglithografie. Bovendien zouden de afmetingsgroeven kunnen worden geregeld door de aandrijfamplitudeverhouding in het dynamische ploegproces, en dit toont aan dat de fabricage van de groeven ook controleerbaar zou kunnen zijn [19].

Meervoudige lineaire regressieplot voor a diepte van de nanoholte (botssnelheid, impacthoek en bedrijfstemperatuur) en b breedte van de nanoholte (botssnelheid, impacthoek en bedrijfstemperatuur) [61]

Tijdens het materiaalverwijderingsproces is er slijtage aan de punt. In de meeste van de eerdere onderzoeken werd de punt gedefinieerd als een stijf lichaam, wat betekent dat het fenomeen van gereedschapsslijtage niet direct kon worden waargenomen [13]. Veel wetenschappers hebben gereedschapsslijtage onderzocht door de toestand van materiaalverwijdering, spanning en temperatuurverdeling te bestuderen [70, 77]. Om het echte slijtageverschijnsel van de punt tijdens het bewerkingsproces weer te geven, hebben Meng et al. stel de punt in als vervormbaar lichaam en constateerde slijtagegedrag van de punt tijdens het bewerkingsproces [81]. De resultaten laten zien dat de vorm van slijtage van diamanten voornamelijk adhesieve slijtage is in het beginstadium en atoom-voor-atoomslijtage in de verwerkingsstabiliteitsfase en de hoeveelheid atoom-voor-atoom attributieslijtage van schuurmiddel wordt minder beïnvloed door de snijsnelheid [ 81]. Opvallend is dat er relatief weinig meldingen zijn over het slijtagegedrag van de tip. Hopelijk zal het gebruik van het vervormbare lichaam van de punt het onderzoek naar het slijtagegedrag van de punt tijdens het nanobewerkingsproces verder bevorderen.

Analyse van de materiaalverwijderingsstatus biedt een effectieve ondersteuning voor realtime monitoring van het bewerkingsproces. Vanwege de beperking van de lengteschaal zoals hierboven vermeld, kon de morfologie van het machinaal bewerkte oppervlak en het materiaalverwijderingsproces echter alleen worden geanalyseerd door kwalitatieve vergelijking. It is difficult to predict the accurate processing results.

Defect Evolution Process Analysis

To obtain the information about the defects generated during the scratching process, TEM is usually employed after the FIB sample preparation techniques, which has several disadvantages, such as relatively complicated operation, high cost, and strong material dependence.

The MD simulation method can obtain the defects generated beneath the sample surface easily. Moreover, the defect evolution process during the scratching could also be observed by using the MD simulation approach, which could not be obtained by experimental method. Many available algorithms to extract defect types were presented, including common neither analysis (CNA) [82], centro-symmetry parameter (CSP) [83], slip vector analysis [84], Ackland-Jones analysis [85], etc. However, these methods are not suitable for tracing the propagation of dislocations, especially when a large number of dislocations are generated by tip scratching along certain direction, and we can no longer investigate what is going on inside the specimen using these methods [86]. Chen et al. presented slipping analysis for visualizing the atomic slipping process for material deformation, which could filter out those atoms that have slipped relative to its neighbor atoms during a specified period of time in the condition with large numbers of atoms [86]. By using this method, Xiao et al. investigated the slipping process during dynamic and static ploughing lithography [19]. The relationship between the cutting force and slipping process is shown in Fig. 5. It could be seen that for dynamic ploughing, the sample material mainly flows downwards and sidewards, whereas no obvious downwards material flow is observed in static ploughing process. In addition, the propagation of the dislocation is dependent on the orientation of the tip, leading to the various morphologies of the grooves. Dislocation extraction algorithm (DXA) is also a useful dislocation analysis tool to identify the lattice dislocation and to determine their Burger vector [87]. By using this method, Gao et al. investigated the behavior of the nanoscratching of iron. They found that a distinct reorganization of the dislocation network. At the beginning, the plastic zone grows linearly with the scratching length along the path. Then, the dislocation density decreases rapidly after some length dislocation reactions. Plastic activity then is concentrated only on the scratch front. Only few dislocations remain in the middle of the scratch. Vacancies in this zone are created by dislocation reactions. It is also found that point defects vacancies generated by dislocation reactions and deformation twining [88].

Slipping processes in a dynamic ploughing and b static ploughing [19]

For the polycrystalline materials, the deformation mechanism was mediated by dislocation nucleation within grain interior as well as grain boundary dislocations in polycrystalline material [43]. While the dislocation propagation is associated with the formation of nanovoids and interstitial clusters in the case of larger grain size, and the formation of twins at the grain boundary was dominating for smaller clusters. This behavior was attributed to the transition of dislocation movement from smooth (larger grain) to rough (smaller grain) during scratching process. Li further concluded the difference of material deformation mechanism about single crystal Cu, polycrystalline Cu, and NT polycrystalline Cu. The results show that the plastic deformation is mainly affected by the interaction between dislocations during scratching process in single crystal Cu; while for polycrystalline Cu both dislocations and GB dominate the plastic deformation; and the plastic deformation is controlled by the interactions of the dislocation, grain boundary (GB), and twin boundary (TB) accompanied with twinning/detwinning [25].

Furthermore, many studies focused on the MD simulation of the TBN process on the semiconductor materials, such as silicon, silicon carbide, gallium arsenide, and aluminum nitride. To investigate these brittle materials, phase transformation is also an important deformation mode in addition to dislocation slip [89]. The interaction between dislocation and phase transformation varies with the crystal orientation. The results indicate that prior to the “Pop-In” event, Si (010) undergoes inelastic deformation accompanied by the phase transformation from the Si-I to the Si-III/ Si-XII, which is not occurred in Si (110) and Si (111). While, the phase transformation from the Si-I to the bct-5 is the dominant mechanism of incipient plasticity for each crystallographic orientation, and dislocation nucleation is also an operating deformation mode in the elastic-plastic transition of Si (010). Dai et al. investigated the subsurface damage mechanism on single crystal silicon during TBN process. It is found that the evolution of crystalline phases is consistent with the distribution of hydrostatic stress and temperature [40]. SiC is also a kind of important semiconductor material, which has the similar property as silicon. The SiC material removal process is achieved through the phase transfer from zinc blended to amorphous structure with few hexagonal diamond structures. Higher scratching speed generates more amorphous structure atoms, fewer hexagonal diamond atoms, and fewer dislocation atoms due to larger impaction and less rearrangement time [90]. While Meng et al. found when the phase transition is not the dominant deformation mechanism, the Schmidt coefficient method can effectively predict the sliding motion of 3C-SiC during the TBN process (elastic sliding motion and dislocation slip motion) [79]. Moreover, Meng et al. further studied on the strain rate and heat effect on the removal mechanism of SiC. They found that the strain rate effect and the thermal softening effect directly affect the material removal amount and form of the subsurface damage (SSD). The influence of the thermal softening effect on the stress in the processing region under the condition of high strain rate exceeds that of the decrease in the growth rate of the dislocation generation speed. The polycrystalline SiC removal process is dominated by the amorphous phase transition. Furthermore, several hexagonal diamond structure atoms and dislocations are found in the GBs during the scratching. Higher scratching speed and larger depth of cut promotes more atoms to transfer into the amorphous structure due to larger impaction [81]. Compared with monocrystalline SiC, the microstructure in polycrystalline makes the SiC more soften by generating less normal scratching force and amorphous structure phase transition and thinner plastic deformation induced SSD [91]. Dislocation propagation and phase transition analysis could explain the mechanism in machining process. However, most researches focused on single crystalline materials and the materials with complex structure are rarely reported, which should be further studied.