Onderoppervlakte deformatie mechanisme bij nano-snijden van galliumarsenide: inzichten uit moleculaire dynamica simulatie

Samenvatting

Tijdens het nano-snijproces wordt monokristallijn galliumarsenide geconfronteerd met diverse oppervlakte/onderoppervlakte deformaties en schade die de prestaties van het product aanzienlijk beïnvloeden. In dit artikel worden moleculaire dynamica simulaties van nano-snijden op galliumarsenide uitgevoerd om het oppervlakte- en onderoppervlakte deformatie mechanisme te onderzoeken. Dislocaties worden gevonden in de bewerkte onderoppervlakte. Fase-transformatie en amorfisatie worden bestudeerd door middel van coördinatietallen. Resultaten onthullen het bestaan van een intermediaire fase met een coördinatietal van vijf tijdens het snijproces. Modellen met verschillende snij snelheden worden ingesteld om de effecten op de dislocatie te onderzoeken. Het effect van kristal anisotropie op het dislocatietype en dichtheid wordt bestudeerd via modellen met verschillende snijoriëntaties. Daarnaast wordt de onderoppervlakte spanning geanalyseerd.

Inleiding

Galliumarsenide (GaAs) is een typisch soort III-V verbinding en is ook een van de belangrijkste halfgeleider materialen. Begunstigd door zijn grote eigenschappen zoals direct bandgat, hoge elektronenmobiliteit en hoge weerstand, vindt monokristallijn galliumarsenide brede toepassingen in diverse gebieden zoals infrarood optische apparaten en microgolfapparaten. Met de continue ontwikkeling van de productie, worden de strikte eisen aan oppervlakteroughness, oppervlakte vormnauwkeurigheid en onderoppervlakte schade steeds meer vereist. Nano-snijtechnologie is nuttig bij het verbeteren van de prestaties van galliumarsenide optische elementen en het uitbreiden van het toepassingsveld. Het nano-snijproces van galliumarsenide kristal wordt geconfronteerd met veel moeilijkheden zoals bros barst, anisotropie en andere onderoppervlakte schade. Daarom is de studie op het nano-snijmechanisme van galliumarsenide van groot belang bij het oplossen van bewerkingsproblemen, het verbeteren van de oppervlakte kwaliteit van galliumarsenide en het ontwikkelen van gerelateerde nanometrische bewerkingstechnologie.

Veel studies hebben nanoscale experimenten op galliumarsenide uitgevoerd. Fang et al. vergelijken de nano-indentatie en nanokras karakteristieken van galliumarsenide en silicium. Taylor et al. onderzochten de ultra-lage belasting nano-indentaties in galliumarsenide (100) met een kubus hoek top. Bradby et al. vonden de pop-in gebeurtenissen van galliumarsenide in een sferische indentatie. Fang et al. onderzochten de bewerkingseigenschappen van zachte, bros halfgeleiders en verkreg voor de eerste keer een galliumarsenide spiegellopervlak door diamant draaien. Hoewel veel studies over indentatie en fysische eigenschappen van galliumarsenide gerapporteerd zijn, is er weinig bekend over het nano-snijproces en het mechanisme van schadevorming. Dit is voornamelijk vanwege de grote moeilijkheid om de experimenten en daaropvolgende karakterisaties uit te voeren. Enerzijds is het bijna onmogelijk om het nano-snijproces te inspecteren en de nanometrische data te meten met on-line meting vanwege de nanometrische schaal en de hoge snijsnelheid. Anderzijds is het duur om een serie nanometrische bewerkings- en meetexperimenten uit te voeren.

Moleculaire dynamica (MD) simulatie is een van de meest efficiënte methoden om het mechanisme van nanometrische bewerking te verkennen. Shimada et al. bewijzen dat MD simulatie een effectieve manier is om het nanometrische bewerkingsproces te beschrijven. Komanduri et al. vonden het structurele overgangsfenomeen van silicium in het nano-snijproces met MD simulatie. Pei et al. bestudeerden de dislocatievorming van koper met grootschalige MD modellen van nanometrische bewerking. Lai et al. bestudeerden de effecten van kritische rake-hoek en de materiaaldeformatie van germanium in nanometrisch snijden en onderzochten bovendeels het deels overlappende nano-snijproces. Daarnaast heeft de multischaal modelleringbenadering zich sterk ontwikkeld in het ultra-precisie bewerkingsgebied. De multischaal simulatie combineert simulatiemethoden in verschillende schalen, zoals MD-model op nanoschaal en FE-model op nano/micro schaal, om het bewerkingsproces op een meer uitgebreide en realistische manier te bestuderen. In dit artikel wordt het onderoppervlakte deformatie mechanisme van het nano-snijproces gefocust, daarom is de MD simulatie geselecteerd als onderzoeks methode.

Wat de bestudeerde materialen betreft, richten de meeste MD simulatiestudies in nanometrische bewerking zich op element halfgeleiders zoals silicium en germanium of metalen zoals koper en aluminium. Minder studies zijn gerapporteerd over de numerieke analyse van nano-snijden van galliumarsenide. Fan et al. onderzochten de ductiele respons van galliumarsenide door MD simulatie en draaiexperimenten. Yi et al. bestudeerden de fase-transformatie en anisotropie van galliumarsenide in nanokrasproces via MD simulatie. In dit artikel worden een reeks driedimensionale MD simulaties uitgevoerd om de ductiele deformatie in het proces van nano-snijden op monokristallijn galliumarsenide te onderzoeken. Het effect van snijparameters zoals snijsnelheid en snijoriëntatie worden ook systematisch bestudeerd.

Methoden

MD simulatiemodellen worden ingesteld om de deformatiegedragingen van bros kristal galliumarsenide in het nano-snijproces te bestuderen. Het driedimensionale MD simulatiemodel wordt getoond in Fig. 1. Het werkstuk wordt gebouwd als monokristallijn galliumarsenide, gekristalliseerd in de zincblende roosterstructuur met Ga en As atomen die de twee FCC sub-roosters innemen. De grootte van het werkstuk is 85 nm × 30 nm × 35 nm. Het werkstukmodel bestaat uit drie lagen: randlaag, thermostatische laag en Newtoniaanse laag. Het werkstuk wordt vastgezet door de randlaag, terwijl de thermostatische laag ingesteld wordt op een constante temperatuur van 293 K om de warmteafvoer in het echte bewerkingsproces na te bootsen. De Newtoniaanse laag is het snijgebied dat het mechanisme van het nano-snijproces onthult. De bewegingen van de atomen in de Newtoniaanse laag gehoorzamen de klassieke tweede wet van Newton. Om de diamant gereedschap in het echte snijproces na te bootsen, wordt een halfbol diamant gereedschapsmodel met een gereedschapsnadius van 10 nm gebouwd, en de snijdiepte wordt ingesteld op 4 nm. De diamant gereedschap wordt ingesteld op bepaalde snelheden om in het werkstuk te snijden. Met de beperking van berekeningsbronnen wordt het model verkleind en vereenvoudigd, maar het is nog steeds overtuigend om de ductiele verwijderingsgedragingen en schadevorming op nanometrische schaal te verklaren. De diamant gereedschap wordt vereenvoudigd als een halfbol om de ductiele verwijderingsgedragingen in de horizontale richting te bestuderen zoals zij-stroom en ophoping aan twee kanten van het gereedschap, wat de belangrijke kenmerken zijn van driedimensionale simulatie. Om het effect van de procesparameters te bestuderen, worden modellen met verschillende snijsnelheden en oriëntaties gebouwd. Tabel 1 lijst de parameters van de modellen.

De potentiaal is de basis voor het berekenen van de kracht en energie tussen atomen, en is ook een van de belangrijkste instellingen in MD simulatie. In de vorige studie werd een potentiaalsysteem bestaande uit drie soorten potentiaal bepaald voor de simulatie van galliumarsenide en diamant gereedschapsmodel. In dit systeem wordt een Tersoff-Brenner potentiaal gebruikt om de interactie tussen Ga en As te beschrijven, wat een goed simulatie-effect toont. Een exponentiële afstotende potentiaal wordt ingesteld om de interactie tussen de diamant gereedschap en galliumarsenide werkstuk te beschrijven via een kwantumchemische methode, wat in de vorm is van een vereenvoudigde Born-Mayer potentiaal. Een Tersoff-ZBL potentiaal wordt gebruikt in de diamant gereedschap. Het potentiaalsysteem wordt samengevat in Fig. 2.

LAMMPS wordt gebruikt om de MD simulatie uit te voeren, terwijl de visualisatie en analyse via OVITO gebeurt, inclusief dislocatieanalyse (DXA), spanningsberekening en coördinatieanalyse. De ontspanning van het werkstuk wordt ingesteld als een NPT ensemble om de systeemenergie te minimaliseren en het vrije oppervlak te stabiliseren, terwijl het nano-snijproces ingesteld wordt als een NVE ensemble. De tijdstap voor de integratie in de simulatie is 1,0 fs.

Resultaten en Discussie

Algemene beschrijving

Zoals getoond in Fig. 3, wordt het galliumarsenide werkstuk bewerkt op een snijafstand van 60 nm met een snijsnelheid van 400 m/s langs de [1̄00] richting op het (010) vlak. Het werkstuk is gekleurd met de atoomverplaatsing in de y-richting. De atomen voor het gereedschap worden waargenomen om omhoog te stromen, wordende spaan door extrusie. Een hoeveelheid atomen stroomt naar beneden en vormt het bewerkte oppervlak. Aan beide kanten van de bewerkte groef, hopen de atomen op met een hoogte van 2 nm door extrusie en ploegen van het gereedschap. Het resultaat onthult dat de deformatie en verwijdering van het bros galliumarsenide kristal een ductieel gedrag vertegenwoordigt wanneer de bewerking op nanometrische schaal is. Weinig arsenide clusters die neerslaan op het bewerkte oppervlak zijn duidelijk in het simulatieproces. Deze studie onthult de aanwezigheid van arsenide neerslag na annealing. De Tersoff-Brenner potentiaal was in staat om de neerslag van arsenide clusters te simuleren. In het snijproces wordt het oppervlaktemateriaal opgewarmen door snijwarmte en geanneald, wat arsenide clusters vormt. Echter, deze neerslag is geen groot probleem in het nano-snijproces. Daarom zullen deze atomen verborgen worden in de daaropvolgende analyse.

Vergelijk de snijkrachtcurve tijdens het bewerkingsproces in Fig. 4. Initieel stijgen de tangentiële kracht en normale kracht met het gereedschap dat in het materiaal snijdt. De laterale kracht fluctueert rond 0 omdat de krachten zich in de z-richting opheffen. Wanneer de krachten gestabiliseerd zijn, fluctueren de normale kracht en tangentiële kracht rond 1700 nN en 700 nN, respectievelijk. Het is gevonden dat de kracht in de y-richting dominant is in het snijproces vanwege de grote effectieve negatieve rake-hoek van de diamant gereedschap zoals gepresenteerd in het model. De negatieve rake-hoek brengt een grote drukspanning, wat een hoge normale kracht in het snijproces veroorzaakt.

Dislocaties en stapelfouten

De onderoppervlakte schadevorming is een belangrijk onderdeel van de studie van het nano-snijmechanisme. Het is noodzakelijk om het schadevormingsmechanisme van galliumarsenide tijdens bewerking uit te zoeken om de verwerkingsparameters verder te optimaliseren. Kristallen hebben anisotropie op atoomstructuur, en het is een van de meest ernstige problemen in het bewerkingsproces, wat de procesprestaties met verschillende oriëntaties zou beïnvloeden.

De verdeling van dislocaties in de bewerkte onderoppervlakte wordt getoond in Fig. 5, en de gereedschapsbeweging is langs (010) [1̄00] snijoriëntatie. De dislocaties worden waargenomen rond de bewerkte groef, vormend een dislocatielaag van ongeveer 8 nm. Twee hoofdtypen dislocaties zijn aanwezig in de bewerkte onderoppervlakte. De 1/2[110] dislocaties glijden voornamelijk in de twee zijwanden van de bewerkte groef, terwijl de 1/6[112] dislocaties zich verdelen onder de groefbodem. De 1/2[110] en 1/6[112] dislocaties bleken perfecte dislocaties (blauwe lijnen) en gedeeltelijke dislocaties (groene lijnen) te zijn, respectievelijk. De vorming van dislocaties betekent de transitieve bewegingen van de lokale atomen, wat impliceert dat de deformatie en verwijdering in de ductiele toestand zijn. Het is bewijzen dat het bros materiaal ook een ductiele toestand vertoont op een voldoende kleine schaal.

De von Mises spanning, die berekend wordt inclusief de afschuifspanningscomponenten, wordt meestal gebruikt om de vorming van dislocatie te bepalen. Figuur 6 is de dwarsdoorsnedeweergave van de dislocatie en de von Mises spanningverdeling. Het hoge-spanningsgebied is geconcentreerd onder het gereedschap vanwege extrusie. Wanneer de door het gereedschap uitgeoefende spanning de vloeispanning van het werkstukmateriaal overschrijdt, zal het materiaal glijden langs het glijvlak, en de relatieve beweging van het glijmateriaal zal dislocaties brengen. Daarom nucleeren en strekken dislocaties zich uit in het einkristal vanwege hoge spanning in het bewerkingsgebied. De lokale energie wordt vrijgemaakt door de atoombeweging.

Dislocaties in bros en ductiele materialen zijn zeer verschillend. Galliumarsenide is een typisch bros kristal, en de dislocaties geconcentreerd bij het bewerkte oppervlak. Echter, dislocaties in ductiele materialen zoals koper zullen zich uitstrekken en glijden diep in het werkstuk en een hoge-dichtheid dislocatiecluster vormen tijdens het snijproces, zoals getoond in Fig. 7a. Dislocaties zijn het resultaat van de ductiele deformatie van materialen. De uitstrekking van dislocatieclusters voor ductiele materialen leidt tot een breed bereik van ductiele deformaties en een gediffundeerde spanning. Echter, de lokalisatie van dislocaties in bros materialen zoals galliumarsenide geeft aan dat de ductiele deformatie alleen bij het oppervlak plaatsvindt zonder een volledige vrijgave van spanning. Wanneer de spanning geconcentreerd is tot een drempelwaarde, kunnen andere soorten schade, zoals fasetransformaties of barsten, verschijnen. In onze vorige studie werd de barstvorming van galliumarsenide bestudeerd, en het is gevonden dat de verwijderingsmodus zal veranderen van ductiele modus met dislocatievorming naar bros modus met barsten wanneer de snijsnelheid toeneemt. De dislocatievorming zal de spanning vrijmaken die barstinitiatie kan veroorzaken, en de deformatiemodus zal neigen naar ductieel in plaats van bros in dit geval.

Figuur 8 onthult de stapelfouten gevonden in de bewerkte onderoppervlakte. Atomen in het werkstuk zijn gekleurd op basis van het coördinatietal. Voor gemakkelijke inspectie worden vier-coördinatie atomen met een oorspronkelijke zincblende structuur verborgen. Het kan worden waargenomen dat er drie-coördinatie atomen periodiek in de bewerkte onderoppervlakte bestaan. Gecombineerd met de gedeeltelijke dislocaties gevonden onder de groefbodem, kunnen de gedeeltelijke dislocaties die voornamelijk uitgezonden worden van de korngrenzen of vrije oppervlakken de vorming van stapelfouten of twinning veroorzaken. De stapelfouten in het model zijn niet volledig gedislocate kristalvlakken maar verschillende kleine gebieden in de grens van einkristal en amorfe laag, daarom bestaan de gedeeltelijke dislocaties aan de grenzen van stapelfouten. Het kan ook worden afgeleid dat er stapelfouten in de werkelijke bewerkte onderoppervlakte kunnen zijn.

Fasetransformatie en amorfisatie

De roosterstructuur van het materiaal kan veranderen vanwege hoge spanning tijdens nano-snijden. Door het fasetransformatieproces te bestuderen, kan een beter begrip van het snijden van galliumarsenide worden bereikt, wat nuttig is voor het optimaliseren van de procesparameters of het ontwerpen van het pre-experiment voor nano-snijden.

Monokristallijn galliumarsenide heeft een zincblende structuur onder normale druk en temperatuur. Echter, de structuur verandert in een zes-coördinatie GaAs-II wanneer de drukspanning 17 GPa bereikt. De fasetransformatie eindigt met een wurtziet structuur als de spanning verder toeneemt boven 60 GPa.

Figuur 9a presenteert de structurele verandering in het model met een snijsnelheid van 400 m/s bij de (010)[1̄00] oriëntatie. Een laag van het bewerkte gebied wordt waargenomen om een amorfe structuur te vertonen met een dikte van ongeveer 6 nm zonder de karakteristieke structuur van het kristal.

Het is duidelijk dat sommige atomen onder de bewerkingspositie veranderen naar een vijf-coördinatie structuur. Vergelijkbaar met de bct-5 structuur van silicium kristal die vormt onder drukspanning, wordt deze vijf-coördinatie structuur beschouwd als een intermediair in de vorming van de zes-coördinatie GaAs-II. Hydrostatische spanning neemt toe en veroorzaakt de vervorming van het rooster met het snijden van het gereedschap. Echter, zoals getoond in de hydrostatische spanningverdeling van Fig. 9b, is de maximale hydrostatische spanning 17 GPa, wat precies de kritieke waarde bereikt van transformatie van GaAs-I naar GaAs-II. Het onderoppervlaktegebied waar de hydrostatische spanning hoger is dan 17 GPa is zeer klein, en het grootste deel van het werkstukgebied heeft een hydrostatische spanning onder de overgangsdrempel. Als resultaat is het moeilijk om grote stukken atomen met een zes-coördinatie structuur te vinden en de vijf-coördinatie structuur is een intermediaire fase van GaAs-I naar GaAs-II.

Figuur 10 geeft de radiale verdelingsfunctiecurves van een geselecteerd gebied in het snijproces, wat het gebied beneden de diamant gereedschap is. De radiale verdelingsfunctiecurves voor, tijdens en na verwerking worden berekend. Het werkstuk heeft een geordende zincblende structuur aan het begin, wiens curve bestaat uit regelmatige pieken. Wanneer de diamant gereedschap de geselecteerde bereik bereikt, toont de radiale verdelingsfunctie een ongerichte toestand zowel in de korte als lange afstand. Dit impliceert de aanwezigheid van een sterke amorfisatie met de ongerichte rangschikking van atomen in het gebied. Echter, de curve van de bewerkte onderoppervlakte impliceert dat de structuur kan herstellen en geordend wordt op de korte afstand en ongerichte op de lange afstand. Met de vrijgave van spanning, zal de materiaal de structuur veranderen naar een met een minimum energietoestand. Atomen met een intermediaire fase kunnen veranderen naar amorfe of andere toestand. Dus toont de curve een stabiele bewerkte toestand met amorfe galliumarsenide. Er kan worden gevonden dat er een zijpiek is op 3,3 Å in het bewerkingsproces, en de piek verdwijnt wanneer het gereedschap vertrekt. Dit fenomeen onthult de vorming en verdwijning van de intermediaire fase, wat kan worden beschouwd als de elastische deformatie in het snijproces. Zonder de kracht van het gereedschap, zal een deel van de atomen herstellen naar de zincblende structuur, en de anderen zullen veranderen naar een andere stabiele fase of amorfe toestand, wat de permanente ductiele deformatie vertegenwoordigt.

Effect van snijsnelheid en oriëntatie op de onderoppervlakte deformatie

De oppervlakte/onderoppervlakte schadevorming wordt beïnvloed door veel factoren, en verschillende snijparameters zullen de vorming van de dislocatie beïnvloeden.

De dislocatieverdelingen met verschillende snijsnelheden worden vergeleken in Fig. 11a-c. De dislocatiedichtheid neemt geleidelijk af naarmate de snijsnelheid toeneemt. De bewerkte onderoppervlakte is rijkelijk voorzien van dislocaties, met name wanneer de snijsnelheid daalt tot 200 m/s. Wanneer het snijproces onder een hoge vervormingssnelheid is, is er onvoldoende tijd voor dislocatienucleatie en -propagatie. Als resultaat zijn er minder dislocaties, en de ductiele deformatie die geïnduceerd wordt door dislocaties is ook minder dominant. Het materiaal zal vervormd en ongerangschikt worden snel, en de hersteltijd is ook kort, en amorfe atomen met niet-regelmatige structuur zullen gemakkelijker vormen. Daarom is een hogere snijsnelheid een manier om de vorming van dislocaties te remmen. Figuur 11d-f zijn de dwarsdoorsnedeweergaven van de von Mises spanningverdeling in de drie corresponderende modellen. Bij een hogere snijsnelheid is de spanning van het materiaal nabij het gereedschap relatief hoger vanwege de grote snijenergie. De drie modellen vergeleken, het 800 m/s model heeft een hogere spanningconcentratie voor het gereedschap, en de bewerkte onderoppervlakte presenteert een meer continue spanningregio met hogere waarden. Integenstelling, de spanning wordt vrijgemaakt vanwege de vorming van dislocaties in de lage-snelheid modellen. De ductiele deformatie die geïnduceerd wordt door de dislocaties zal de lokale vervormingsenergie en de spanning die wordt veroorzaakt door de buiging en elastische vervorming van het rooster vrijmaken. Daarom kan in het werkstuk met een hogere snijsnelheid de spanningstoestand ernstig zijn vanwege het gebrek aan dislocaties, wat het makkelijker maakt om barsten in het snijproces te vormen.

Anisotropie is een ernstig probleem in het nano-snijproces van het kristal, inclusief het einkristal galliumarsenide. Vanwege zijn einkristalstructuur toont galliumarsenide kristal duidelijke eigenschappen in verschillende kristaloriëntaties. Drie modellen met verschillende snijvlakken en oriëntaties worden gebouwd om de anisotropie te bestuderen. De snijoriëntaties zijn (010)[1̄00], (1̄10)[1̄1̄0] en (2̄11)[1̄1̄1̄]. Figuur 12a-f weerspiegelen de grote verschillen die bestaan tussen de dislocatieverdelingen. Zoals hierboven aangegeven, bestaan er twee soorten dislocaties in het (010)[1̄00] model. Wanneer de snijrichting langs de (1̄10)[1̄1̄0] richting is, zijn de meeste dislocaties aan de bodem van de bewerkte groef, terwijl sommige geclusterde dislocaties zich uitstrekken naar het oppervlak voor het gereedschap. Weinig dislocaties worden gevonden aan beide kanten van de zijwand in Fig. 12b. Bij de (2̄11)[1̄1̄1̄] snijoriëntatie, worden boom-achtige dislocaties waargenomen die zich uitstrekken van het midden naar beide kanten, het bewerkte onderoppervlakte bedekkend zoals onthuld in Fig. 12c. Echter, in tegenstelling tot het eerste model, zijn er weinig gedeeltelijke dislocaties in de (1̄10)[1̄1̄0] en (2̄11)[1̄1̄1̄] modellen, en de meeste dislocaties zijn perfecte dislocaties langs de [110] oriëntatie. Op dezelfde manier worden stapelfouten niet gevonden in het bewerkte gebied van (1̄10)[1̄1̄0] en (2̄11)[1̄1̄1̄] modellen, corresponderend met het gebrek aan gedeeltelijke dislocaties. Dit bewijst ook het effect van anisotropie in het materiaal.

Figuur 13a-f vergelijken de dislocatieverdeling en von Mises spanningverdeling van de drie modellen met verschillende snijoriëntaties. De kristaloriëntatie heeft een duidelijk effect op spanningpropagatie. In de (010)[1̄00] en (2̄11)[1̄1̄1̄] modellen is de spanning geconcentreerd voor het diamant gereedschap, maar de uitstrekingsrichtingen zijn verschillend. Echter, het geconcentreerde spanninggebied van het (1̄10)[1̄1̄0] model is breder, en de regio van hoge spanning voor het gereedschap strekt zich uit naar het oppervlak. Vanwege het verschil in kristaloriëntaties zullen de spanningcomponenten langs de glijrichting verschillend zijn, wat resulteert in de verschillende verschijnselen van dislocaties. Wanneer de hoek van de spanningrichting en glijvlak klein is, is het glijden meer geneigd te verschijnen en het materiaal zal zich in ductiele modus vervormen. Integenstelling, de barst en bros breuk neigt tot initiatie wanneer de verhouding van de trekkracht loodrecht op het klaasvlak tot de afschuifspanning langs het glijvlak toeneemt.

De spanning en dislocatieverdelingen vergeleken, de modellen met een hogere dislocatiedichtheid kunnen lagere spanning in de bewerkte onderoppervlakte hebben. Figuur 13e toont een dikker amorfe schadelaag in de onderoppervlakte van het (1̄10)[1̄1̄0] model, wat correspondeert met de dichte dislocatieregio's in de andere modellen. Dit fenomeen toont aan dat anisotropie een effect kan hebben op de schadetypes. In het (1̄10)[1̄1̄0] model is de geconcentreerde spanning moeilijk vrij te maken vanwege de minder dislocatievorming. Als resultaat wordt de rangschikking van atomen verstoord onder een ernstige spanningstoestand. Het spanningsbereik is groter in de bewerkte onderoppervlakte en de resterende spanning is hoger. Integenstelling, het (2̄11)[1̄1̄1̄] model heeft een dunner spanninglaag in de bewerkte onderoppervlakte door de grotere dislocatiedichtheid. De vorming van dislocatie geeft een deel van de spanning vrij tijdens het snijproces. In de vorige studie, wanneer de ductiele schademodus verandert van dislocatie naar amorfisatie, vertoont de bewerkte onderoppervlakte een ernstige spanningstoestand en amorfe schade. De onderoppervlakte barsten zijn gemakkelijker te vormen in de grens van de amorfe en einkristal. Het kan worden afgeleid dat barsten meer waarschijnlijk zijn om te voorkomen wanneer de snijoriëntatie langs de (1̄10)[1̄1̄0] richting is. De vorming van dislocatie kan de bros schadevorming verminderen. Naast het klaasmechanisme is het ook een reden waarom barstvorming beïnvloed wordt door anisotropie.

In het snijproces ontvangt het materiaal nabij het snijgereedschap hoge spanning en zware compressie, wat materiaalstructurele veranderingen zal veroorzaken zoals fasetransformatie en amorfisatie. Onder de amorfe laag, zal glijden plaatsvinden in een groter gebied en dislocaties zullen zich vormen in het einkristal door de wijdverspreide spanningseffecten. Dit zijn de hoofductiele deformaties in het nano-snijden van galliumarsenide. Verschillende snijcondities zullen de lokale spanningstoestand en de gemak van dislocatievorming beïnvloeden. Wanneer de dislocaties moeilijk te genereren zijn vanwege de hoge verwerkingssnelheid of anisotropie, zal de modus van ductiele deformatie neigen tot amorfe gedomineerd vanwege de amorfisatie veroorzaakt door niet-vrijgegeven spanning. De barst zal ook gemakkelijk vormen in deze situatie. Integenstelling, dislocaties zullen het hoofdcomponent van ductiele deformatie zijn als de omstandigheden geschikt zijn voor het materiaalglijden.

Conclusie

MD simulatie wordt gebruikt om het mechanisme van schadevorming in het nano-snijproces van galliumarsenide kristal te bestuderen. De atoombeweging en snijkracht van het proces worden ook geanalyseerd. De dislocatie, stapelfout en fasetransformatie worden voornamelijk bestudeerd als de oppervlakte/onderoppervlakte schade. De conclusies kunnen als volgt worden samengevat:

1. In het nano-snijden van galliumarsenide worden dislocatie en structurele transformatie gevonden als de hoofddeformatiemechanismen in de bewerkte onderoppervlakte.
2. Dislocaties en stapelfouten worden waargenomen in de bewerkte onderoppervlakte groef, en de vorming van stapelfouten en gedeeltelijke dislocaties zijn consistent.
3. Een intermediaire fase met vijf-coördinatie wordt gevonden voor het gereedschap omdat hydrostatische spanning dicht bij maar niet hoger is dan de overgangsdrempel (17 GPa). Een amorfe laag vormt in de bewerkte onderoppervlakte.
4. Met toenemende snijsnelheid neemt de dislocatiedichtheid af vanwege de hoge vervormingssnelheid. Anisotropie heeft een groot effect op het dislocatietype en dichtheid. Gedeeltelijke dislocaties zijn gemakkelijker te vormen in het (010)[1̄00] model. Bovendien heeft het (1̄10)[1̄1̄0] model een lagere dislocatiedichtheid en een ernstigere amorfisatie.

Beschikbaarheid van data en materialen

De datasets gegenereerd of geanalyseerd tijdens de huidige studie zijn niet publiekelijk beschikbaar omdat de data ook deel uitmaakt van een lopende studie, maar zijn beschikbaar van de corresponderende auteur op redelijk verzoek.

Afkortingen

MD:

Moleculaire dynamica

GaAs:

Galliumarsenide

FE:

Finite element

FCC:

Vlakgecentreerd kubisch

Tersoff-ZBL:

Tersoff-Ziegler-Biersack-Littmark

LAMMPS:

Large-scale atomic/molecular massively parallel simulator

OVITO:

Open visualisatie tool

NPT:

Getal-druk-temperatuur, isotherme-isobare ensemble

NVE:

Getal-volume-energie, microcanonische ensemble