Technische verwijdering van enkel-atoomlaag van monokristallijn koper: impact van gereedschapsrandstraal

Definitie van snijdiepte

Snijdiepte (a) wordt gedefinieerd als de afstand tussen het toppunt van werkstukoppervlak en het laagste punt van snijgereedschap. De grootte van een werkstukatoom wordt meestal voorgesteld door atoomsstraal (r_w). Zoals gegeven in Fig. 2, wanneer de bovenste eerste atoomlaag getarget wordt om te verwijderen van het werkstukoppervlak, theoretisch, kan de maximale snijdiepte gebruikt worden verkregen als het volgende:

a_max = r_w + 0,5 × d_layer (2)

Hierbij vertegenwoordigt d_layer de afstand tussen de bovenste naburige atoomlagen op het werkstukoppervlak. In deze studie zijn alle analyses gebaseerd op het (111) oppervlak van monokristallijn koper werkstuk; daarom verwijst de r_w in Verg. (2) naar de straal van koperatomen, namelijk 1,28 Å. De d_layer is 2,087 Å. Wanneer a groter is dan a_max, zal het laagste punt van snijgereedschap in direct contact komen met de tweede atoomlaag en kan de materiaalvervorming en zelfs verwijdering induceren. Daarom, in de huidige studie, zijn de gebruikte snijdiepten kleiner dan a_max (2,32 Å).

Gebaseerd op de bevindingen, zal het fundamentele snij-gebaseerde enkel-atoomlaag verwijderingsmechanisme aanzienlijk veranderen bij diverse combinaties van de verhoudingen van a tot R en a tot r_w.

Resultaten en discussie

Volgens MD-resultaten hebben zowel atoomaire grootte-effect als snijrandstraal-effect de snij-gebaseerde enkel-atoomlaag verwijderingsproces sterk beïnvloed. In de volgende secties, om het atoomaire grootte-effect en gereedschapsrandstraal-effect duidelijk te beschrijven, worden de verhouding van snijdiepte (a) tot werkstuk atoomsstraal (r_w), a/r_w, en die van snijdiepte(a) tot randstraal(R), a/R, gebruikt. De analyseresultaten worden systematisch bestudeerd vanuit de aspecten van spanvorming, oppervlaktegeneratie, suboppervlakte vervorming en atoomaire verplaatsingsgedrag. De bevindingen bieden gedetailleerde inzichten in de typische kenmerken in snij-gebaseerde enkel-atoomlaag verwijderingsmechanisme.

Spanvorming

De analyseresultaten geven aan dat vanwege het werkstuk atoomaire grootte-effect [20], er twee kritieke waarden zijn van de verhouding van snijdiepte (a) tot werkstuk atoomsstraal (r_w), namelijk kritieke waarde 1 (C₁) en kritieke waarde 2 (C₂), welke de spanvormingsgedrag in verschillende gevallen verdelen.

1. De verhouding van a/r_w kleiner dan kritieke waarde 1 (C₁).

Figuur 3 toont de resultaten van MD-simulatie bij diverse gereedschapsrandstraal bij snijdiepte van ongeveer 1,1 Å. Hier is de verhouding van snijdiepte (a) tot werkstuk atoomsstraal (r_w) 0,781.

Ondanks de verhoogde snijrandstraal, treedt er elastische vervorming op op het bewerkte elk Cu (111) oppervlak. Er is geen spanvorming en materiaalverwijdering tijdens het snijproces. De studie toont aan dat de snijdiepte groter moet zijn dan ongeveer 1,1 Å om materiaalverwijdering op Cu (111) oppervlak mogelijk te maken.

2. De verhouding van a/r_w is groter dan C1, maar kleiner dan kritieke waarde 2 (C₂).

Wanneer snijdiepte groter is dan ongeveer 1,1 Å, namelijk de verhouding van a/r_w is groter dan 0,781, treedt er materiaalverwijdering op op werkstukoppervlak. Zoals weergegeven in Fig. 4, wordt een deel van materiaal verwijderd van werkstukoppervlak, maar een groter aantal atomen binnen de bovenste eerste laag blijft op het nieuwe bewerkte oppervlak, vormend oppervlaktedefecten. Bovendien, naarmate de randstraal toeneemt tot 7,5 nm, is de verhouding van a/R 0,019. In zo'n geval, is een deel van atomen in eerste atoomlaag ingedrukt in tweede laag en zelfs derde atoomlaag, zoals weergegeven in Fig. 4e, wat toegeschreven moet worden aan de extrusiewerking van snijgereedschap. Het geeft ook aan dat gereedschapsrandstraal-effect begint een invloed uit te oefenen op het materiaalverwijderingsproces, hoewel een continue materiaalverwijdering niet verkregen kon worden.

3. De verhouding van a/r_w is groter dan C₂.

Figuur 5 toont de spanvorming bij snijdiepte van ongeveer 2 Å. Hier is de verhouding van a/r_w = 2 Å/1,28 Å = 1,563. Vergeleken met Fig. 3, met een toename van snijdiepte tot 2 Å, konden de atomen binnen de getargete atoomlaag continu en stabiel worden verwijderd door spanvorming. Het geeft aan dat de snijdiepte groter is dan de minimale spandikte van monokristallijn koper, en de minimale spandikte kan worden verlaagd tot enkel atoomlaag met een snijdiepte van ongeveer 2 Å. Na snijden, werden de materialen binnen eerste atoomlaag volledig verwijderd van werkstukoppervlak.

Echter, het kan ook worden opgemerkt in Fig. 5 dat, door de toename van de verhouding van a/R, de atomen in de eerste atoomlaag duidelijk verschillende verwijderingsprocessen ondergaan, met name de snij-geïnduceerde vervorming op het bewerkte oppervlak. Bij snijdiepte van 2 Å, wanneer scherp snijgereedschap wordt gebruikt, namelijk de verhouding van a/R is 5,70, treedt alleen lichte vervorming op op het bewerkte oppervlak. Naarmate snijrandstraal toeneemt tot 3 nm, is de verhouding van a/R 0,134, de amplitude van elastische vervorming was duidelijk verhoogd.

Wanneer gereedschapsrandstraal wordt verhoogd tot 4 nm, zoals gegeven in Fig. 5d, zijn veel atomen binnen de getargete eerste atoomlaag ingedrukt in tweede atoomlaag, vormend het nieuwe bewerkte oppervlak. Bij gereedschapsrandstraal van ongeveer 7,5 nm, is een deel van atomen in eerste laag zelfs gediffundieerd naar derde atoomlaag. Wanneer gereedschapsrandstraal ongeveer 10 nm bereikt, treedt een duidelijke elastische en plastische vervorming op, wat ook kan worden bepaald in de volgende Sectie 3.3.

Daarom hangt de snij-gebaseerde enkel-atoomlaag verwijdering niet alleen af van de verhouding van a/r_w, maar ook van de verhouding van a/R. Om enkel-atoomlaag verwijdering te bereiken door mechanische snijden, d.w.z. materiaalverwijdering op atoomschaal, moeten zowel atoomsizing-effecten als snijrandstraal-effect overwogen worden, significant verschillend van micro/nanosnijden en conventionele macroscopische snijden.

Oppervlaktegeneratie

Een doel van snij-gebaseerde atoomlaag verwijdering is om het defect-vrije bewerkte oppervlak met ideale kristallijne structuur te verkrijgen. Het werkstuk atoomaire grootte-effect op oppervlaktegeneratie in ACS snijden is recentelijk bestudeerd [20]. In de huidige studie, om het snijrandstraal-effect op oppervlaktegeneratie in ACS snijden duidelijk aan te geven, worden de oppervlaktetopografie en oppervlaktesamenstelling van het nieuwe bewerkte oppervlak als volgt bestudeerd.

Oppervlaktetopografie

Figuur 6 toont de oppervlaktetopografieën van het bewerkte Cu (111) oppervlak bij verschillende randstralen. Hier wordt een snijdiepte van 2 Å toegepast. Zoals weergegeven in Fig. 6a, b, wanneer gereedschapsrandstraal kleiner is dan 3 nm, konden Cu (111) oppervlakken met ideale kristallijne structuur worden verkregen. Wat de defecten aan de linkerkant van werkstukoppervlak betreft, is het te wijten aan de vervorming tijdens snij-uitgang van gereedschap. Tijdens het snijden in een vaste fase, is er geen oppervlaktedefect gevormd op het bewerkte oppervlak.

Naarmate gereedschapsrandstraal toeneemt, worden echter veel defecten geleidelijk gevormd op het bewerkte oppervlak. Bij randstraal van 4 nm, worden veel put-achtige defecten gevormd op het bewerkte oppervlak, zie Fig. 6d. Verder, wanneer de gereedschapsrandstraal gelijk is aan of groter dan 5 nm, zijn er een groot aantal oppervlaktedefecten gevormd, wat de oppervlakkwaliteit ernstig verergerd. In zo'n geval, is meer dan één laag atomen verwijderd van werkstukoppervlak. Daarom kan worden bepaald dat bij snijdiepte van 2 Å, wanneer gereedschapsrandstraal kleiner is dan 3 nm, enkel-atoomlaag verwijdering bereikt kan worden op Cu (111) oppervlak. Vanwege het snijrandstraal-effect, moet de verhouding van snijdiepte (a) tot randstraal (R) groter zijn dan een drempelwaarde, om defect-vrij bewerkt oppervlak te bereiken via snij-gebaseerde enkel-atoomlaag verwijdering. Hier is de kritieke waarde van de verhouding van a/R [0,05, 0,067].

Oppervlaktesamenstelling

Figuur 7 toont de samenstelling van de bewerkte oppervlakken bij diverse gereedschapsrandstralen en snijdiepte van 2 Å. Hier zijn groene en blauwe atomen die uit eerste en tweede lagen, terwijl de rode atomen die onder tweede atoomlaag zijn. Zoals weergegeven in Fig. 7a, wanneer een scherp snijgereedschap wordt gebruikt, is de verhouding van a/R 2,85, het bewerkte oppervlak bestaat alleen uit atomen in eerste laag. Dit resultaat geeft aan dat de getargete eerste atoomlaag volledig is verwijderd van werkstuk. Bovendien betekent het dat de materiaalverwijdering wordt uitgevoerd in de vorm van laag-voor-laag, waarin de verwijderde materialen alleen afkomstig zijn van de getargete eerste atoomlaag op het werkstukoppervlak.

Echter, wanneer gereedschapsrandstraal 2 nm en 3 nm is, zoals weergegeven in Fig. 7b, c, zijn de bewerkte oppervlakken samengesteld uit twee atoomlagen (blauw en groen). Het geeft aan dat hoewel enkel-atoomlaag verwijdering bereikt is, het oppervlaktegeneratieproces minimaal 2 atoomlagen omvat. Verder, wanneer gereedschapsrandstraal groter is dan 4 nm, is er een groot aantal atomen van eerste atoomlaag op het bewerkte oppervlak, wat aangeeft dat veel atomen in eerste laag zijn ingedrukt om een nieuw oppervlak te genereren.

Daarom, met een toename in snijrandstraal, is de oppervlaktegeneratie aanzienlijk veranderd. Twee soorten oppervlaktegeneratie mechanismen betrokken zijn samengevat hieronder:

1. Laag-voor-laag: de getargete eerste atoomlaag wordt volledig verwijderd om nieuw bewerkt oppervlak te genereren. Alleen atomen binnen eerste laag worden verwijderd tijdens het snijproces.

2. Meervoudige-laag verwijdering: hoewel enkel-atoomlaag verwijdering gerealiseerd kan worden, ondergaan de atomen binnen getargete atoomlaag twee typische verplaatsingsgedragingen. Een deel van atomen zou in span worden gevormd door afschuifspanning-gedreven dislocatiebeweging, terwijl andere ingedrukt zouden worden in het bewerkte oppervlak, onder de werking van snijgereedschap. Het materiaalverwijderingsproces omvat minimaal twee atoomlagen.

Suboppervlakte vervormingsmechanisme

In nanosnijden, is er elastische en plastische vervorming op het bewerkte oppervlak tijdens snijproces. Na het snijgereedschap over werkstukoppervlak passeert, zou het elastische deel terugveren, terwijl het plastisch vervormde deel zou leiden tot blijvende vervorming [1, 2]. Als snijdiepte afneemt tot atoomschaal, in het snijden naar enkel-atoomlaag verwijdering, wordt aangenomen dat er alleen elastische vervorming optreedt op het bewerkte oppervlak. Om dit te verifiëren, worden de werkstuk suboppervlakte vervormingstoestanden tijdens en na snijden geanalyseerd. Figuur 8 illustreert de defectstructuren in werkstuk suboppervlak bij diverse gereedschapsrandstralen. Hier zijn de atomen gekleurd op basis van centro-symmetrie parameter (CSP), en de atomen met CSP van kleiner dan 3 worden weggelaten, welke die met perfecte FCC structuur vertegenwoordigen.

Wanneer snijrandstraal kleiner is dan 4 nm, wordt geen suboppervlaktedefect gevormd in het bewerkte oppervlak. Er is alleen elastische vervorming op het bewerkte oppervlak in snijden.

Zoals weergegeven in Fig. 8, wanneer snijrandstraal gelijk is aan of groter dan 4 nm, worden er suboppervlaktedefecten geïnitialiseerd. Bovendien, naarmate snijrandstraal toeneemt, is het aantal suboppervlaktedefecten significant toegenomen. Wanneer de randstraal ongeveer 10 nm bereikt, is één dislocatielus gevormd, en het kon niet verdwijnen na snijden, zoals weergegeven in Fig. 9e. Het duidt duidelijk op plastische vervorming die optreedt op het bewerkte oppervlak.

Na het gereedschap over het werkstukoppervlak passeert, zou het elastisch vervormde deel terugveren; dus, delen van suboppervlaktedefecten worden geannuleerd. Zoals weergegeven in Fig. 9a–c, uiteindelijk bestaat er geen suboppervlaktedefect, wanneer de gereedschapsrandstraal 2 nm of 3 nm is.

Wat het plastisch vervormde deel betreft, leidt het tot een blijvende vervorming. Zoals weergegeven in Fig. 9, wanneer gereedschapsrandstraal 7,5 nm is, is er een klein aantal suboppervlaktedefecten overgebleven. Wanneer gereedschapsrandstraal 10 nm is, zijn de dislocatielus en stapelfout uiteindelijk bestaan in het werkstuk suboppervlak.

Gebaseerd op bovenstaande analyse, kan worden afgeleid dat om snij-gebaseerde enkel-atoomlaag verwijdering mogelijk te maken, plastische vervorming vermeden moet worden, en alleen elastische vervorming is toegestaan op het bewerkte oppervlak. Het wordt beschouwd als één kenmerkend kenmerk van het snij-gebaseerde enkel-atoomlaag verwijderingsproces.

Atoomaire verplaatsingsgedrag

Volgens MD-trajectbestanden heeft dislocatiebeweging het snij-gebaseerde enkel-atoomlaag verwijderingsproces gedomineerd. Figuur 10 toont de simulatie resultaten met verschillende gereedschapsrandstralen. Bij randstraal van 2 nm, onder de werking van snijgereedschap, wordt alleen eerste atoomlaag afgeschoven langs snijrichting om in span te vormen, terwijl andere geïmmobiliseerd blijven. Het kan worden beschouwd als één doorsnede van één randdislocatie.

Naarmate gereedschapsrandstraal toeneemt, is een deel van materiaal binnen eerste atoomlaag ingedrukt in het bewerkte oppervlak, wat de glijding van de atoomlagen onder de eerste laag induceert. Bovendien, naarmate gereedschapsrandstraal toeneemt, neigt het aantal atoomlagen dat materiaalglijdingsproces ondergaat te groeien. Wanneer gereedschapsrandstraal 4 nm is, behalve eerste atoomlaag, voert de tweede atoomlaag ook materiaalglijding uit langs snijrichting, geïllustreerd in Fig. 10. Wanneer de gereedschapsrandstraal 7,5 nm is, naarmate snijgereedschap vooruitgaat, hebben de bovenste drie atoomlagen op het werkstukoppervlak afgeschoven langs snijrichting. Verder, wanneer gereedschapsrandstraal verhoogd wordt tot 10 nm, is een groot aantal materiaal ingedrukt om nieuw bewerkt oppervlak te vormen; er is plastische vervorming (zie Fig. 10e) op het werkstukoppervlak, wat ook kan worden bepaald in Fig. 9.

Figuur 11 toont het glijdingsproces van de getargete atoomlaag langs snijrichting. Het gebied van de afgeschoven zone wordt continu vergroot met het snijgereedschap vooruitgaand. Bij snijafstand van 17,5 nm, heeft de afgeschoven zone een maximumwaarde bereikt. Vervolgens worden de materialen binnen de afgeschoven zone continu in span gevormd; het volume van de span neemt ook toe.

Over het algemeen, volgens de analyse in Secties 3.3 en 3.4, naarmate gereedschapsrandstraal toeneemt, hebben zowel suboppervlakte vervormingsmechanisme als atoomaire verplaatsingsgedrag aanzienlijk veranderd. Bij verschillende gereedschapsrandstralen, neigen verschillende aantallen atoomlagen te glijden langs snijrichting, terwijl verschillende vervormingsregimes optreden op het bewerkte oppervlak, zoals samengevat in Tabel 2. Bovendien kan worden gevonden dat in het snij-gebaseerde enkel-atoomlaag verwijderingsproces, de spanvorming wordt geregeerd door afschuifspanning-gedreven dislocatiebeweging, significant verschillend van de spanvorming in conventionele snijden en nanosnijden, Het kan ook worden beschouwd als één kenmerkend kenmerk van snij-gebaseerde enkel-atoomlaag verwijdering.

Snijkräfte

Invloed van randstraal-effect

Figuur 12 toont het snijrandstraal-effect op de gemiddelde snijkräfte bij snijdiepte van 2 Å. Hier worden de tangentiële en normale componenten van snijkräfte, namelijk F_t en F_n, vergeleken. Zoals geïllustreerd, voor een scherp snijgereedschap, is de verhouding van a/R 2,85, en is de F_t van 16,4 nN duidelijk kleiner dan F_n van 23,7 nN. Naarmate gereedschapsrandstraal toeneemt, nemen zowel F_t als F_n toe. Echter, F_n heeft aanzienlijk grotere groeiamplitudes getoond dan F_t. Het duidt duidelijk aan dat naarmate gereedschapsrandstraal toeneemt, de normale snijkracht een groter effect zou hebben op het materiaalverwijderingsproces bij ACS snijproces. Echter, wanneer gereedschapsrandstraal groter is dan ongeveer 3 nm, kon enkel-atoomlaag verwijdering niet bereikt worden. Dus, een grotere normale snijkracht zou niet helpen om snij-gebaseerde enkel-atoomlaag verwijdering mogelijk te maken, en een lagere normale snijkracht zou bij voorkeur moeten worden toegepast.

De normale snijkräfte bieden de compressieve spanning om elastische en/of plastische vervorming op het bewerkte oppervlak mogelijk te maken, de tangentiële snijkräfte zouden de afschuifspanning bieden voor spanvorming. Daarom kan worden afgeleid dat spanvorming in snij-gebaseerde enkel-atoomlaag verwijdering voornamelijk moet worden gedreven door de tangentiële snijkracht. Het kan ook in Fig. 12b worden gezien dat F_t drie soorten veranderingen heeft getoond, wat verder leidt tot verschillende oppervlaktetopografieën (zie Fig. 6), inclusief het volgende:

Wanneer gereedschapsrandstraal kleiner is dan ongeveer 3 nm, namelijk de verhouding van a/R is 0,067, blijft F_t ongeveer onveranderd, en is het altijd kleiner dan 25 nN, naarmate randstraal toeneemt. In zo'n geval wordt alleen één atoomlaag verwijderd van werkstukoppervlak.

Wanneer de gereedschapsrandstraal 3 nm en 5 nm is, zijn de verhoudingen van a/R 0,04 en 0,067, terwijl F_t duidelijk toegenomen is tot ongeveer 38,5 nN. Gevolgen, wordt meer dan één atoomlaag verwijderd van werkstukoppervlak, maar er is een klein aantal oppervlaktedefecten gevormd.

Wat betreft de randstraal van groter dan 5 nm, convergeert F_t ook geleidelijk naar een constante waarde. In dit geval wordt meer dan één atoomlaag verwijderd. Echter, grote aantallen oppervlaktedefecten worden gevormd op het werkstukoppervlak en suboppervlak.

Het kan worden geconcludeerd dat een zeer lage tangentiële snijkracht snij-gebaseerde enkel-atoomlaag verwijdering kan mogelijk maken bij een redelijke snijrandstraal, zoals 2 nm. In omgekeerde richting, kon enkel-atoomlaag verwijdering niet gerealiseerd worden, ondanks de grotere tangentiële snijkracht.

Invloed van atoomaire grootte-effect

Figuur 13 geeft verder de grafiek van snijkräfte versus snijdiepte bij snijrandstraal van 2 nm. Het kan worden gevonden dat bij snijrandstraal van 2 nm, naarmate snijdiepte toeneemt, zowel normale snijkracht als tangentiële snijkräfte drie-fasen veranderingen hebben getoond. Er zijn duidelijke veranderingen bij snijdiepte van ongeveer 1,1 Å en 1,6 Å. De overeenkomstige verhouding van snijdiepte (a) tot werkstuk atoomsstraal (r_w) zijn 0,055 en 0,080, welke de bovengenoemde twee kritieke waarden van a/r_w, C₁ en C₂, zijn zoals afgebeeld in Sectie 3.1.

Wanneer snijdiepte kleiner is dan 1,1 Å, namelijk de verhouding van a/r_w is minder dan 0,055, is F_t altijd 0 nN, terwijl F_n lineair toegenomen is tot ongeveer 32 nN. Echter, de snijkräfte konden geen plastische materiaalvervorming en verwijdering op het werkstukoppervlak mogelijk maken. Gevolgen, is er alleen elastische vervorming op werkstukoppervlak, zoals weergegeven in Fig. 3.

Wanneer de snijdiepte groter is dan 1,1 Å, maar kleiner dan 1,6 Å, is de verhouding van a/r_w meer dan 0,055 maar minder dan 0,080. In dit geval heeft F_t aanzienlijk toegenomen van 0 nN tot ongeveer 25 nN, terwijl F_n verder toegenomen is tot ongeveer 58 nN. De snijkräfte zijn groot genoeg om materiaalverwijdering op werkstukoppervlak mogelijk te maken. Bij snijdiepte van 1,4 Å is er spanvorming en materiaalverwijdering op werkstukoppervlak. Maar de stabiele en continue materiaalverwijdering kon niet gerealiseerd worden en veel defecten zijn gevormd op het bewerkte oppervlak, zoals weergegeven in Fig. 4.

Wanneer de snijdiepte groter is dan 1,6 Å, zijn zowel F_t als F_n groot genoeg om continue materiaalverwijdering op werkstukoppervlak mogelijk te maken. Gevolgen, wordt span stabiel gevormd over het werkstukoppervlak, en de getargete atoomlaag wordt continu verwijderd via spanvorming, vormend een nieuw bewerkt oppervlak, zoals weergegeven in Fig. 5b en Fig. 6b.

Over het algemeen hebben zowel snijrandstraal-effect als atoomaire grootte-effect een invloed op snijkracht in snij-gebaseerde enkel-atoomlaag verwijderingsproces, waardoor het materiaalverwijdering en oppervlaktegeneratieproces verandert.

Discussies over snij-gebaseerde enkel-atoomlaag verwijderingsmechanisme

Volgens bovenstaande analyse, hebben zowel atoomaire grootte-effect als snijrandstraal-effect een grote invloed op het snij-gebaseerde enkel-atoomlaag verwijderingsmechanisme. Zoals samengevat in Tabel 3, afhankelijk van de verhouding van snijdiepte tot werkstuk atoomsstraal(a/r_w) en de verhouding van snijdiepte tot randstraal(a/R), zijn er minimaal 5 typische gevallen van materiaalvervorming en verwijderingsgedrag in snij-gebaseerde enkel-atoomlaag verwijderingsproces. In deze sectie wordt het fundamentele materiaalvervorming en verwijderingsmechanisme van elk geval samengevat.

In conventionele bewerking, zoals snijdiepte significant groter is dan de snijrandstraal, kan het snijrandstraal-effect genegeerd worden. Als de snijdiepte wordt verlaagd tot nanoschaal, wat vergelijkbaar of lager is dan de randstraal, kan het randstraal-effect niet langer genegeerd worden. In nanosnijden, wordt het materiaalverwijderingsproces gedomineerd door de extrusievervorming, wat sterk beïnvloed wordt door snijrandstraal. Als de snijdiepte verder wordt verlaagd tot atoomschaal, behalve snijrandstraal-effect, heeft een nieuw grootte-effect, atoomaire grootte-effect [20] een grote invloed op materiaalverwijdering.

Zoals weergegeven in Fig. 14, in het snij-gebaseerde enkel-atoomlaag verwijderingsproces, zijn er twee delen betrokken bij snijden, d.w.z., nanometrische snijrand en de laagste snijgereedschap atomen (B). Zulke twee delen kunnen gekoppeld worden om enkel-atoomlaag verwijdering mogelijk te maken. De grootte van snijrand, beschouwd als 'nano-gereedschap', wordt beschreven door randstraal (R). De snijrand is de envelopkurve van de uiterste atomen in snijgereedschap. Met betrekking tot de laagste atomen, als 'atoom-gereedschap', wordt het beschreven door werkstuk atoomsstraal (r_w). De snij-gebaseerde enkel-atoomlaag verwijdering is het resultaat van de gekoppelde acties van nano-gereedschap en atoom-gereedschap op werkstukmateriaal.

Allereerst, afhankelijk van de verhouding van snijdiepte (a) tot de werkstuk atoomsstraal (r_w), d.w.z. a/r, zijn er drie soorten materiaalvervormingsgedrag in ACS snijproces.

1. De verhouding van a/r_w is kleiner dan kritieke waarde 1(C₁).

Zoals weergegeven in Fig. 15, treedt spanvorming niet op, maar elastische vervorming treedt wel op op het werkstukoppervlak. Tijdens snijproces, na werkstuk passeert het laagste punt van snijgereedschap, zou het elastisch vervormde deel volledig herstellen. Gevolgen, trad er geen materiaalvervorming en verwijdering op op het bovenste oppervlak. In zo'n geval, kan het gereedschapseffect genegeerd worden. Deze verhouding kan worden beïnvloed door materiaaleigenschappen (geval 1).

2. De verhouding van a/r_w is groter dan C₁, maar kleiner dan kritieke waarde 2 (C₂).

Naarmate de verhouding van snijdiepte tot atoomsstraal (a/r_w) toeneemt om groter te zijn dan C₁ maar kleiner dan kritieke waarde 2(C₂), is er materiaalverwijdering op het werkstukoppervlak, maar het is niet continu. In zo'n geval, wordt alleen een deel van materiaal binnen getargete atoomlaag in span gevormd door afschuifspanning-gedreven dislocatiebeweging, terwijl anderen op het werkstukoppervlak blijven. Wanneer snijgereedschap over het werkstukoppervlak passeert, is de oppervlakkwaliteit van het bewerkte oppervlak ernstig verergerd (geval 2) (Fig. 16).

3. De verhouding van a/r_w is groter dan kritieke waarde 2 (C₂).

Wanneer de verhouding van snijdiepte tot atoomsstraal (a/r_w) toeneemt om groter te zijn dan kritieke waarde, is er een continue materiaalverwijdering door spanvorming tijdens snijproces. In zo'n geval, kunnen de randstraaleffecten niet langer genegeerd worden. Voor ACS snijproces, is de maximale snijdiepte subnanometer orde. Op zo'n extreem lage snijdiepte, ongeacht de nominale raakhoek, is de effectieve raakhoek altijd grotendeels negatief. Het negatieve raakvlak kan de benodigde afschuifspanning produceren om spanvorming door dislocatiebeweging mogelijk te maken en de compressieve kracht om elastische en/of plastische vervorming op het bewerkte oppervlak mogelijk te maken.

Afhankelijk van de verhouding van snijdiepte (a) tot gereedschapsrandstraal (R), treden verschillende soorten elastische en/of plastische vervormingsprocessen op op het werkstukoppervlak. Er zijn twee drempelwaarden van a/R, namelijk drempelwaarde 1 (T₁) en drempelwaarde 2 (T₂), leidend tot verschillende materiaalverwijderingsprocessen.

1. De verhouding van a/R is groter dan drempel (T₁).

Zoals weergegeven in Fig. 17, is er één atoomglijdvlak. Het werkstukmateriaal onder dit vlak zou een elastische vervorming hebben. Wat betreft de materialen boven dit glijdvlak, ondergaat het een plastische vervorming door dislocatiebeweging. Een deel van materialen wordt ook in span gevormd door afschuifspanning-gedreven dislocatiebeweging, terwijl de andere dislocatieglijding ondergaat. Na het werkstuk passeert het laagste punt van het snijgereedschap, herstelt het elastisch vervormde deel volledig (geval 3).

2. De verhouding van a/R is lager dan drempel 1 (T₁), maar groter dan drempel 2 (T₂).

Onder de werking van snijrand, ondergaan minimaal twee atoomlagen dislocatieglijding, terwijl elastische vervorming optreedt op het bewerkte oppervlak, zoals weergegeven in Fig. 18. De snijrand biedt een kracht om de afschuifspanning te genereren om spanvorming door dislocatiebeweging mogelijk te maken en compressieve spanning om elastische vervorming op het bewerkte oppervlak te induceren. In zo'n geval, wordt een deel van materiaal binnen de getargete atoomlaag in span gevormd door dislocatiebeweging, terwijl de andere ingedrukt wordt in andere atoomlagen om nieuw bewerkt oppervlak te vormen. Het drijft ook de glijding van andere atoomlagen op het werkstukoppervlak, leidend tot negatieve dislocatieklimming. Na het werkstukmateriaal passeert het laagste punt van het snijgereedschap, verent het elastische deel terug (geval 4).

3. De verhouding van a/R is lager dan drempel 2 (T₂).

Naarmate de verhouding van a/R daalt tot lager dan T₂, is er of geen spanvorming of extreem klein volume van spanvorming, maar elastisch-plastische vervorming treedt op op het bewerkte oppervlak, zoals weergegeven in Fig. 19. Na werkstukmateriaal passeert het laagste punt van snijrand, verent het elastisch vervormde deel terug. Het plastisch vervormde deel (Δ) leidt tot blijvende vervorming. Zo'n verhouding is gerelateerd aan materiaaleigenschappen, gereedschapsgeometrie en procesomstandigheden (geval 5).

Conclusies

In de huidige studie worden zowel atoomsizing-effect als snijrandstraal-effect geanalyseerd om hun invloed te onderzoeken op spanvorming, oppervlaktegeneratie, suboppervlakte vervorming, en atoomaire verplaatsingsgedrag tijdens het snijden van monokristallijn koper naar enkel-atoomlaag verwijdering. De volgende conclusies kunnen worden getrokken.

1. Een nieuw model wordt voorgesteld om het onderliggende materiaalvervorming en verwijderingsmechanisme in het snij-gebaseerde enkel-atoomlaag verwijderingsproces te beschrijven, welke vier kenmerken vertoont, inclusief spanvorming door dislocatiebeweging, elastische vervorming die optreedt op het bewerkte oppervlak, atoomaire grootte-effect, en snijrandstraal-effect.

2. Zowel atoomaire grootte-effect als snijrandstraal-effect hebben een grote invloed op de materiaalvervorming en verwijdering tijdens het snijproces van monokristallijn koper naar enkel-atoomlaag verwijdering. Met een specifieke verhouding van snijdiepte tot werkstuk atoomsstraal (a/r_w) en die van snijdiepte tot randstraal (a/R), kan snij-gebaseerde enkel-atoomlaag verwijdering bereikt worden op Cu (111) oppervlak.

3. Spanvorming wordt beïnvloed door de verhoudingen van a/r_w en a/R. Er is spanvorming alleen wanneer de verhouding van a/r_w groter is dan één kritieke waarde (C1) en de verhouding van a/R kleiner is dan één drempelwaarde (T1). Bovendien is spanvorming voornamelijk afhankelijk van de afschuifspanning-gedreven dislocatiebeweging, significant verschillend van de extrusie-gedomineerde spanvorming in nanosnijden en afschuif-gedomineerde spanvorming in conventionele bewerking.

4. Enkel-atoomlaag verwijdering kan bereikt worden via laag-voor-laag verwijdering en meervoudige-laag verwijdering. De eerste verwijst naar dat de getargete atoomlaag volledig van werkstukoppervlak kan worden verwijderd. De laatste betekent dat de eerste atoomlaag deels verwijderd wordt terwijl de overige materialen ingedrukt worden in andere atoomlagen, vormend een nieuw bewerkt oppervlak.

5. Er treedt alleen elastische vervorming op op het bewerkte oppervlak tijdens ACS snijproces, verschillend van de elastisch-plastische vervorming in nanosnijden. Het kan worden beschouwd als één kenmerkend kenmerk in ACS snijden.

6. Afhankelijk van het gecombineerde effect van atoomsizing-effect en snijrandstraal-effect, bestaan er vijf gevallen van materiaalvervorming en verwijderingsprocessen tijdens snij-gebaseerde enkel-atoomlaag verwijdering, d.w.z., geen werkstukmateriaal wordt verwijderd (geval 1), werkstukmaterialen worden niet-continu verwijderd (geval 2), een deel van materialen wordt in span gevormd terwijl andere materiaalglijding ondergaan via dislocatiebeweging (geval 3), een deel van materialen binnen de getargete atoomlaag wordt in span gevormd terwijl andere ingedrukt worden in andere atoomlagen om nieuw bewerkt oppervlak te vormen (geval 4), en het elastisch vervormde deel verent terug, terwijl het plastisch vervormde deel leidt tot een blijvende vervorming (geval 5).

Beschikbaarheid van gegevens en materialen

Auteurs verklaren dat de materialen, gegevens, en geassocieerde protocollen beschikbaar zijn voor de lezers, en alle gegevens gebruikt voor de analyse zijn opgenomen in dit artikel.

Afkortingen

ACS:

Atoomaire en nabij-atoomschaal

ACSM:

Atoomaire en nabij-atoomschaal fabricage

MD:

Moleculaire dynamica