Estudio de dinámica molecular sobre nanomáquina basada en puntas:una revisión

Análisis del resultado de la simulación

Análisis de la fuerza de corte

La fuerza de corte podría reflejar claramente el proceso de remoción de material y el defecto de evolución, que es un parámetro físico importante para comprender el fenómeno de corte [19, 63, 64]. Además, la fuerza de corte está estrechamente relacionada con la potencia de corte y la vida útil de la herramienta, lo que podría proporcionar una guía en el proceso de mecanizado TBN [65]. En el proceso TBN, la fuerza de corte se evalúa principalmente mediante el método de calibración de fuerza, pero la fuerza lateral no se puede obtener mediante este método [66, 67]. Mediante el uso de la tecnología de dinámica molecular, la variación de las fuerzas de corte, incluidas las fuerzas laterales y tangenciales, se puede observar en tiempo real durante todo el proceso [68]. Además, la fuerza media y la fuerza resultante también se pueden recoger mediante el método de simulación MD.

A través del análisis de la variación de la fuerza de corte, se puede reflejar la diferencia de varias estructuras de materiales y la influencia de los parámetros de mecanizado en el proceso TBN. Li y col. encontraron fuerzas más altas para rayar en Cu policristalino en comparación con el monocristal de Cu se atribuye al hecho de que la anisotropía del grano de la superficie tiene poco efecto entre la pieza de trabajo y la punta cuando la punta pasa de un grano a otro grano de diferentes orientaciones del cristal, mientras que el El flujo plástico estable se muestra en la eliminación de material de monocristal de Cu debido a su sistema de orientación única [25]. También se encuentra que la fuerza de corte para diferentes estructuras cristalinas aumenta con el incremento de la velocidad de corte porque una mayor velocidad de nano-rayado produce más virutas [69]. Por el contrario, el cambio de fuerza de corte presenta un comportamiento adverso en el proceso de rayado del SiC, debido a que una mayor velocidad puede generar más átomos de estructura cristalina amorfa, lo que hace que el material de SiC sea más dúctil y más fácil de remover [70]. Yan y col. investigó la procesabilidad de las bicapas de Cu / Ni utilizando el método de simulación MD y encontró que la fuerza de las bicapas de Ni-Cu es mayor en comparación con las de Cu, Ni y las bicapas de Cu-Ni, ya que el movimiento de las dislocaciones fue impedido por la interfase de las bicapas que sirvieron como barrera de propagación [71]. Con respecto a los polímeros amorfos, la propiedad de mecanizado fue influenciada por la velocidad de rayado en tres aspectos diferentes como sigue [72]:en primer lugar, la mayor altura de apilamiento frente a la punta generada a mayor velocidad conduce a una mayor fuerza tangencial debido a más resistencia a la punta. Entonces, una mayor velocidad conduce a una mayor tasa de deformación, lo que puede provocar el endurecimiento por deformación del material. Esto también conduciría al incremento de las fuerzas de corte. Finalmente, con el incremento de la velocidad, el efecto de suavidad térmica permite mecanizar la pieza con mayor facilidad, reduciendo la fuerza tangencial y la fuerza normal. En los procesos de mecanizado de polímeros, las fuerzas de corte aumentan con el incremento de la velocidad, lo que indica que el efecto de endurecimiento por acumulación y por velocidad de deformación juega un papel más importante en la determinación de las fuerzas de rayado. Además de la influencia de los materiales de la pieza de trabajo, la geometría de la punta también juega un papel importante en el proceso de mecanizado [18, 73, 74]. Ren y col. investigó el efecto de los ángulos de la punta sobre las fuerzas de corte con punta en forma de cono. Se encuentra que las fuerzas aumentan con los ángulos de semi-vértice crecientes debido al crecimiento del área de contacto entre los materiales de la punta y la pieza de trabajo [21]. Además, el coeficiente de fricción disminuye fuertemente con el semi-ápice, mientras que la dureza aumenta [75].

Algunos académicos también investigaron la variación de la fuerza de corte en condiciones específicas de mecanizado. Ren y col. analizó la correlación entre el espesor de la capa de agua y las fuerzas de rayado. En la figura 3 se muestra la variación de las fuerzas de rayado con el cambio en el espesor de la capa de agua. la capa de agua más gruesa conduce a fuerzas de corte totales mayores [60]. Además, el efecto de la inclinación de la punta también se analiza mediante el análisis de la dureza (fuerza normal por átomo) y el coeficiente de fricción [59]. Los resultados muestran que la dureza normal es más sensible en la dirección hacia adelante o hacia atrás en comparación y el efecto de la inclinación de la punta lateralmente puede despreciarse. Además, el efecto de inclinación sobre la fuerza normal es la razón principal del cambio del coeficiente de fricción y el efecto de inclinación sobre la fuerza de rayado es mucho menor que el efecto sobre la fuerza normal.

un Variación de las fuerzas de rayado promedio con cambios en el espesor de la capa de agua: a fuerzas tangenciales y b fuerzas normales [60]

Al comparar la fuerza de corte entre el arado estático y el arado dinámico, se puede revelar la diferencia de mecanismo. La fuerza de corte en la litografía de arado dinámico oscila drásticamente con el golpeteo periódico de la punta de diamante, mientras que se observan ligeras fluctuaciones en el arado estático. Además, la fuerza media de mecanizado en el arado dinámico es menor que la mitad de la del arado estático, lo que indica un menor desgaste de la punta en la litografía de arado dinámico [19]. En el proceso de arado dinámico, la orientación de la punta tiene una gran influencia en la fuerza de corte. Yan y col. combinó la profundidad de la ranura y la fuerza de arado para comparar la eficiencia del mecanizado. Los resultados muestran que la cara lateral hacia adelante de la punta tiene la mejor eficiencia, ya que tiene una fuerza de arado similar a la de la orientación hacia adelante de la punta, pero al mismo tiempo más del doble de la profundidad de la ranura [63]. Mediante el análisis de las fuerzas de corte, se pudo explicar con más detalle el mecanismo del proceso de mecanizado TBN con diversos materiales y condiciones de mecanizado. Además, la comparación de las fuerzas de corte en varios modos de procesamiento podría proporcionar una guía para la optimización del proceso del enfoque TBN.

Análisis del estado de eliminación de material

El análisis del estado de la remoción de material también es un método esencial para revelar el mecanismo del enfoque TBN. La eliminación del material y la topografía en el proceso de mecanizado se suelen observar mediante microscopio electrónico de barrido (SEM) y AFM. Sin embargo, la morfología del surco y el estado de eliminación solo se pueden detectar después del procesamiento y el proceso de eliminación de material no se puede entender de forma dinámica. Recientemente, Zhang et al. utilizaron herramientas de corte lineales conectadas directamente en SEM para ver el proceso de formación de viruta en el corte de material, mientras que este método es complicado y SEM debe modificarse [76]. Por tanto, este método es difícil de generalizar. En comparación con el método experimental, el método de simulación MD se puede utilizar fácilmente para explorar el mecanismo de eliminación de material y la generación de superficies en nanoescala, y el proceso de mecanizado se puede observar en tiempo real a través del método MD.

Se sabe a partir de los resultados de la simulación MD del proceso TBN que los estados de deformación se clasifican en estado de arado y estado de corte. Con el movimiento de la punta, los átomos de material de la pieza de trabajo por delante de la punta se aprietan y luego se acumulan para formar la viruta continua durante el estado de corte. Simultáneamente, también se acumulan algunos átomos de material de la pieza de trabajo en los lados izquierdo y derecho de la ranura fabricada después del paso de la punta [57]. Comparando la relación entre el estado de corte y el estado sin corte, podemos determinar si el estado de corte o el estado de arado ocupan la parte dominante cuando se utilizan los distintos radios de la punta para rayar en las diferentes profundidades de rayado [77]. Durante los últimos años, muchos estudiosos han investigado más a fondo las propiedades de los materiales en los estados de eliminación de materiales. Por ejemplo, el material monocristalino muestra anisotropía en el proceso TBN, lo que tiene un gran efecto en la eliminación del material [20]. En comparación con los materiales monocristalinos, los límites de grano tienen un efecto importante sobre las propiedades mecánicas de los materiales policristalinos. Gao y col. encontraron que la orientación del grano más que el tamaño del grano también es dominante en la determinación del perfil del amontonamiento [78]. Además, la geometría de la punta también tiene un fuerte efecto en la eliminación de material. Se seleccionaron tres tipos de punta (cónica, piramidal triangular y punta hemisférica) para revelar el efecto de la geometría de la punta en el estado de eliminación de material. Para la punta cónica, existe una clara dependencia del ángulo de la mitad del vértice. Con un ángulo de punta de medio vértice más grande, aumenta el volumen de viruta y mejora la suavidad de la superficie de rayado, pero requiere una mayor fuerza de rayado, genera un coeficiente de fricción más grande y una temperatura más alta en la pieza de trabajo, y aumenta el daño del subsuelo [40]. Alhafez también investigó el efecto del ángulo de la mitad del ápice en la formación de apilamiento [75]. Se encuentra que cuando se raspa con un pequeño ángulo de la mitad del vértice de la punta, el amontonamiento se acumula principalmente en la dirección de avance, mientras que el amontonamiento lateral domina para la condición de mecanizado del gran ángulo de la mitad del vértice de la punta. Algunos estudios se centraron en la punta piramidal triangular que es consistente con la geometría real de la punta en el proceso de mecanizado basado en AFM [19, 20, 63, 79]. Se compararon principalmente tres direcciones de mecanizado, que son el borde hacia adelante, hacia adelante y hacia adelante. En el proceso de mecanizado de SiC, el estado de eliminación de material se puede controlar simplemente ajustando la dirección de rayado de la herramienta. La dirección de rayado de borde hacia adelante puede proporcionar un proceso más estable, lo que puede dar como resultado una mejor precisión de tamaño y consistencia de las ranuras obtenidas [79]. Sin embargo, el estado de eliminación de material de los polímeros es más sensible a la temperatura en comparación con los materiales metálicos o semiconductores. Durante el proceso de rayado, la temperatura local en la zona de rayado es más alta que la temperatura de transición vítrea, lo que indica que la pieza de trabajo en la zona de rayado se puede quitar de manera dúctil [72]. Zhan y col. investigó los mecanismos microscópicos de fricción del poliestireno amorfo. Descubrieron que la flexibilidad de las cadenas moleculares aumenta con el aumento de la temperatura, lo que puede permitir que las cadenas moleculares se enrollen más fácilmente y vuelvan a su estado original [56]. Du y col. encontró que la velocidad de mecanizado tiene una gran influencia en los resultados del mecanizado del poliestireno. El cambio intracadena domina la deformación permanente de la muestra de poliestireno cuando la velocidad de mecanizado es pequeña, mientras que el deslizamiento entre cadenas es más pronunciado cuando la velocidad de mecanizado es grande [80].

Como se puede ver en la discusión anterior, la mayoría de los estudios se centraron principalmente en la condición seca en lugar de los fluidos. Sin embargo, los átomos acumulados delante de la herramienta se reducen y las rebabas a lo largo de las ranuras no son obvias con un alto espesor de la capa de agua y la rugosidad de la superficie disminuye visiblemente y da como resultado una superficie relativamente lisa. Puede explicarse que la capa de agua actúa como lubricante para reducir la región de adherencia entre la herramienta y la superficie de la viruta recién formada y reduce la fuerza de arrastre exhibida en el límite de la cara de la viruta-herramienta. La consecuencia directa es que la calidad de la superficie mejora enormemente. Con el aumento del espesor de la capa de agua, la calidad de la superficie se puede mejorar gradualmente [60]. En algunos enfoques de mecanizado novedosos, Shockly et al. investigó los efectos de los parámetros (velocidad de impacto, ángulo de impacto y temperatura de funcionamiento) en el mecanizado de nanoimpacto asistido por vibración sobre la formación de nanocavidades y encontró que los parámetros de funcionamiento tienen una influencia sustancial en la profundidad y el ancho de las nanocavidades generadas como se muestra en la Fig. 4 [61]. Xiao y col. encontraron que la profundidad y el ancho de la ranura en el proceso de arado dinámico son más pequeños que los del proceso de arado estático, lo que significa que las nanoestructuras con características pequeñas podrían fabricarse a través de la litografía de arado dinámico. Además, las dimensiones de las ranuras podrían controlarse mediante la relación de amplitud del accionamiento en el proceso de arado dinámico, y esto demuestra que la fabricación de las ranuras también podría ser controlable [19].

Gráfico de regresión lineal múltiple para a profundidad de la nanocavidad (velocidad de impacto, ángulo de impacto y temperatura de funcionamiento) y b ancho de la nanocavidad (velocidad de impacto, ángulo de impacto y temperatura de funcionamiento) [61]

Durante el proceso de remoción de material, existe un comportamiento de desgaste en la punta. En la mayoría de los estudios anteriores, la punta se define como un cuerpo rígido, lo que significa que el fenómeno de desgaste de la herramienta no se puede observar directamente [13]. Muchos académicos investigaron el desgaste de las herramientas mediante el estudio del estado de remoción de material, la tensión y la distribución de la temperatura [70, 77]. Para reflejar el fenómeno de desgaste real de la punta durante el proceso de mecanizado, Meng et al. fijó la punta como cuerpo deformable y encontró el comportamiento de desgaste de la punta durante el proceso de mecanizado [81]. Los resultados muestran que la forma de desgaste del abrasivo del diamante es principalmente desgaste adhesivo en la etapa inicial y desgaste átomo por átomo en la etapa de estabilidad de procesamiento y la cantidad de desgaste de atribución átomo por átomo del abrasivo se ve menos afectada por la velocidad de corte [ 81]. Es de notar que hay relativamente pocos informes sobre el comportamiento de desgaste de la punta. Con suerte, se espera que el uso del cuerpo deformable de la punta promueva aún más la investigación del comportamiento de desgaste de la punta durante el proceso de nanomaquinado.

El análisis del estado de remoción de material proporciona un soporte efectivo para el monitoreo en tiempo real del proceso de mecanizado. Sin embargo, debido a la limitación de la escala de longitud como se mencionó anteriormente, la morfología de la superficie mecanizada y el proceso de eliminación de materiales solo se pudo analizar mediante comparación cualitativa. 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 y col. 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.