Ingeniería de remoción de capa atómica única de cobre monocristalino: Impacto del radio del filo de la herramienta

Resumen

El objetivo final del corte mecánico es reducir el espesor mínimo de viruta a una sola capa atómica. En este estudio, se investiga el mecanismo de remoción de capa atómica única basado en corte en cobre monocristalino mediante una serie de análisis de dinámica molecular. Los hallazgos reportan que cuando la profundidad de corte disminuye a escala atómica, el espesor mínimo de viruta podría reducirse a una sola capa atómica mediante corte mecánico usando herramienta de filo redondeado. El comportamiento de remoción de material durante la remoción de capa atómica única basada en corte exhibe cuatro características, incluyendo formación de viruta por movimiento de dislocaciones impulsado por tensión de cizallamiento, deformación elástica en la superficie procesada, efecto de dimensionamiento atómico y efecto del radio del filo de corte. Basado en esta comprensión, se propone un nuevo modelo de corte para estudiar el comportamiento de remoción de material en el proceso de remoción de capa atómica única basado en corte, significativamente diferente de aquellos para nanocorte y corte convencional. Los resultados proporcionan soporte teórico para la investigación y desarrollo de tecnología de fabricación a escala atómica y cercana a la atómica.

Introducción

El corte mecánico, como uno de los métodos de mecanizado sustractivo más importantes, se ha aplicado para producir piezas con alta calidad de acabado superficial [1,2]. Un gran número de estudios teóricos y experimentales se han llevado a cabo para clarificar el mecanismo subyacente de remoción de material a nanoescala para establecer y enriquecer la teoría básica de nanocorte [3,4,5,6]. Los resultados de la investigación contribuyen significativamente a la aplicación de corte nanométrico en academia e industria, permitiendo la fabricación de piezas de alto rendimiento que requieren forma compleja y calidad de acabado superficial nanométrica [7,8]. Sin embargo, aún no hay reporte sobre el mecanismo de remoción de material en corte a escala atómica y cercana a la atómica (ACS), restringiendo seriamente el progreso en el desarrollo de tecnología de fabricación de próxima generación - fabricación a escala atómica y cercana a la atómica (ACSM), es decir, Manufactura III [9]. Además, el desarrollo progresivo de dispositivos a escala atómica también enfatizó la demanda de diversos procesos de mecanizado para lograr ACSM [10].

En el corte convencional a macroescala, la profundidad de corte es significativamente mayor que el radio del filo de la herramienta, donde la remoción de material se realiza por formación de viruta impulsada por cizallamiento del material [11,12,13]. En micro/nanocorte, a medida que la profundidad de corte es comparable o menor que el radio del filo de la herramienta, la formación de viruta por extrusión gradualmente se vuelve dominante con la disminución de la profundidad de corte a nanoescala, lo que está muy influenciado por los efectos del radio del filo de corte [14,15,16,17,18,19]. En corte ACS, a medida que la profundidad de corte disminuye aún más a escala cercana a la atómica e incluso atómica, que es mucho menor que el radio del filo de corte, el efecto del radio del filo inevitablemente afectaría el comportamiento de remoción de material.

Además, a diferencia del corte convencional y micro/nanocorte, en corte ACS, la profundidad de corte no solo es significativamente menor que el radio del filo de la herramienta, sino también comparable o incluso menor que el radio de los átomos de la pieza de trabajo. El comportamiento práctico de remoción de material cambiaría en diferentes relaciones de profundidad de corte a radio atómico de la pieza de trabajo, lo que se reconoce como un nuevo efecto de dimensionamiento, es decir, efecto de dimensionamiento atómico [20]. Por tanto, en corte ACS, tanto el efecto del radio del filo de corte como el efecto de dimensionamiento atómico deben considerarse. Sin embargo, no hay reporte sobre este tema críticamente importante en el estudio de tecnología de corte ACS.

Por esas razones, en el presente estudio, el efecto de dimensionamiento atómico y el efecto del radio del filo de corte sobre el mecanismo de remoción de capa atómica única basado en corte se investigan mediante modelado de dinámica molecular (MD).

Este artículo se estructura en las siguientes secciones. La Sección 2 introduce la metodología usada, incluyendo modelado y protocolo, función potencial adecuada. La Sección 3 presenta los resultados de análisis y discusiones relevantes. La Sección 4 discute el mecanismo detallado de remoción de capa atómica única basado en corte, bajo la influencia acoplada del efecto del filo de corte y efecto de dimensionamiento atómico. Los hallazgos del estudio se concluyen en la Sección 5.

Metodología

Modelo de simulación y protocolo

A medida que la profundidad de corte disminuye a escala atómica o cercana a la atómica, es realmente desafiante observar el proceso de remoción de material experimentalmente en la práctica. En este estudio, se realiza una serie de simulaciones MD para analizar el mecanismo de remoción de capa atómica única basado en corte, enfocándose enfáticamente en el efecto de dimensionamiento atómico de la pieza de trabajo y el efecto del radio del filo de corte.

La Fig. 1 muestra las instantáneas para la configuración atómica del modelo de corte diamante-cobre, que consiste en una pieza de trabajo de cobre monocristalino y una herramienta de corte de diamante. Las simulaciones se conducen en el plano (111) de cobre monocristalino. Las dimensiones de la pieza de trabajo en direcciones x-[1 -1 0], y-[1 1 -2] y z-[1 1 1] son 27, 10 y 5 nm, respectivamente. Durante las simulaciones MD, los átomos de la pieza de trabajo se dividen en átomos de capa de frontera, átomos de capa termostática y átomos de capa newtoniana, respectivamente, como se muestra en la Fig. 1. Las dos capas en el fondo de la pieza de trabajo, es decir, capa de frontera, se mantienen fijas durante las simulaciones MD, para eliminar la posible traducción de posición de la pieza de trabajo inducida por corte. Las tres capas atómicas adyacentes a la capa de frontera son átomos de capa termostática. La temperatura de la capa termostática se mantiene a 298 K por métodos de reescalado de velocidad. Los átomos restantes de la pieza de trabajo pertenecen a la capa newtoniana. En las simulaciones presentes, el ángulo de ataque y ángulo de despeje de la herramienta de corte son 0° y 12°. Los parámetros detallados del modelo se resumen en la Tabla 1. Dado que el corte ACS se conduce preferiblemente a una velocidad de corte más baja, se usa una velocidad de corte de 25 m/s en dirección [-1 1 0] tras considerar el efecto de la velocidad de corte y el costo de tiempo computacional.

Función potencial

El sistema de corte cobre-diamante involucra principalmente dos tipos de átomos: cobre y átomos de diamante. En las simulaciones MD, las interacciones interatómicas deben describirse con precisión para asegurar la exactitud computacional de los resultados de simulación. Por tanto, la selección razonable de la función potencial es críticamente significativa. En este estudio, se adopta la función potencial del método de átomo empotrado (EAM), frecuentemente usada, para describir las interacciones interatómicas entre átomos de cobre [21]. La función Morse se aplica para calcular las interacciones entre átomos de cobre y átomos de diamante (Cu-C), dependiendo principalmente de r.

$$ E = D_0 \left[ e^{-2\alpha(r-r_0)} - 2e^{\alpha(r-r_0)} \right] $$ (1)

donde E y D₀ se refieren a energía potencial de par y energía de cohesión, α representa una constante, r₀ es la distancia de equilibrio, y r es la distancia entre dos átomos. Para interacciones Cu-C, D₀ es 0,087 eV, r₀ es 0,205 nm [22], y α es 51,40 nm⁻¹. Para las interacciones entre átomos de carbono en la herramienta de corte (C-C), la resistencia de enlace significativamente más fuerte entre átomos de diamante que entre átomos de cobre es despreciable. La herramienta de corte se considera rígida durante el análisis.

Definición de profundidad de corte

La profundidad de corte (a) se define como la distancia entre el punto más alto de la superficie de la pieza de trabajo y el punto más bajo de la herramienta de corte. El tamaño de un átomo de pieza de trabajo se representa usualmente por radio atómico (r_w). Como se muestra en la Fig. 2, cuando la primera capa atómica superior es el objetivo a remover de la superficie de la pieza de trabajo, teóricamente, la profundidad de corte máxima usada puede obtenerse como sigue:

$$ a_{max} = r_w + 0,5 \times d_{layer} $$ (2)

Aquí, d_layer representa la distancia de espaciado entre las capas atómicas vecinas superiores en la superficie de la pieza de trabajo. En este estudio, todo el análisis se basa en la superficie (111) de la pieza de trabajo de cobre monocristalino; por tanto, r_w en la Ec. (2) se refiere al radio de átomos de cobre, es decir, 1,28 Å. El d_layer es 2,087 Å. Cuando a es mayor que a_max, el punto más bajo de la herramienta de corte entrará en contacto directo con la segunda capa atómica y puede inducir deformación de material e incluso remoción. Por tanto, en el presente estudio, las profundidades de corte usadas son menores que a_max (2,32 Å).

Basado en los hallazgos, el mecanismo fundamental de remoción de capa atómica única basado en corte cambiará enormemente en diversas combinaciones de las relaciones de a a R y a a r_w.

Resultados y discusión

Según los resultados MD, tanto el efecto de dimensionamiento atómico como el efecto del radio del filo de corte han influido grandemente en el proceso de remoción de capa atómica única basado en corte. En las siguientes secciones, para describir claramente el efecto de dimensionamiento atómico y el efecto del radio del filo de la herramienta, se emplean la relación de profundidad de corte (a) a radio atómico de la pieza de trabajo (r_w), a/r_w, y la de profundidad de corte (a) a radio del filo (R), a/R. Los resultados de análisis se estudian sistemáticamente desde los aspectos de formación de viruta, generación de superficie, deformación subsuperficial y comportamiento de desplazamiento atómico. Los hallazgos proporcionan insights detallados en las características típicas del mecanismo de remoción de capa atómica única basado en corte.

Formación de viruta

Los resultados de análisis indican que debido al efecto de dimensionamiento atómico de la pieza de trabajo [20], hay dos valores críticos de la relación de profundidad de corte (a) a radio atómico de la pieza de trabajo (r_w), a saber, valor crítico 1 (C₁) y valor crítico 2 (C₂), que dividen el comportamiento de formación de viruta en diferentes casos.

1. La relación a/r_w menor que el valor crítico 1 (C₁).

La Fig. 3 muestra los resultados de simulación MD a varios radios de filo de herramienta a profundidad de corte de约 1,1 Å. Aquí, la relación de profundidad de corte (a) a radio atómico de la pieza de trabajo (r_w) es 0,781.

A pesar del aumento del radio del filo de corte, ocurre deformación elástica en cada superficie Cu (111) procesada. No hay formación de viruta ni remoción de material durante el proceso de corte. El estudio muestra que la profundidad de corte debe ser mayor que约 1,1 Å para permitir la remoción de material en la superficie Cu (111).

2. La relación a/r_w es mayor que C₁, pero menor que el valor crítico 2 (C₂).

Cuando la profundidad de corte es mayor que约 1,1 Å, es decir, la relación a/r_w es mayor que 0,781, ocurre remoción de material en la superficie de la pieza de trabajo. Como se muestra en la Fig. 4, una parte del material es removida de la superficie de la pieza de trabajo, pero un mayor número de átomos dentro de la primera capa superior permanece sobre la nueva superficie procesada, formando defectos de superficie. Además, a medida que el radio del filo aumenta a 7,5 nm, la relación a/R es 0,019. En tal caso, una parte de átomos en la primera capa atómica ha sido presionada hacia la segunda capa e incluso tercera capa atómica, como se muestra en la Fig. 4e, lo que debe atribuirse a la acción de extrusión de la herramienta de corte. También indica que el efecto del radio del filo de corte comienza a imponer influencia en el proceso de remoción de material, aunque no se pudo obtener una remoción de material continua.

3. La relación a/r_w es mayor que C₂.

La Fig. 5 muestra la formación de viruta a profundidad de corte de约 2 Å. Aquí, la relación a/r_w = 2 Å / 1,28 Å = 1,563. Comparado con la Fig. 3, con un aumento de profundidad de corte a 2 Å, los átomos dentro de la capa atómica objetivo pudieron ser removidos continua y establemente por formación de viruta. Indica que la profundidad de corte ha sido mayor que el espesor mínimo de viruta de cobre monocristalino, y el espesor mínimo de viruta podría reducirse a una sola capa atómica con una profundidad de corte de约 2 Å. Tras el corte, los materiales dentro de la primera capa atómica fueron completamente removidos de la superficie de la pieza de trabajo.

Sin embargo, también se puede notar en la Fig. 5 que, debido al aumento de la relación a/R, los átomos en la primera capa atómica sufren procesos de remoción evidentemente diferentes, especialmente la deformación inducida por corte en la superficie procesada. A profundidad de corte de 2 Å, cuando se usa herramienta de corte afilada, es decir, la relación a/R es 5,70, solo ocurre ligera deformación en la superficie procesada. A medida que el radio del filo de corte aumenta a 3 nm, la relación a/R es 0,134, la amplitud de deformación elástica aumentó evidentemente.

Cuando el radio del filo de herramienta aumenta a 4 nm, como se da en la Fig. 5d, muchos átomos dentro de la primera capa atómica objetivo han sido presionados hacia la segunda capa atómica, formando la nueva superficie procesada. Al radio del filo de herramienta de约 7,5 nm, una parte de átomos en la primera capa incluso se difunde a la tercera capa atómica. Cuando el radio del filo de herramienta alcanza约 10 nm, ocurre una deformación elástica y plástica evidente, que también puede determinarse en la siguiente Sección 3.3.

Por tanto, la remoción de capa atómica única basada en corte depende no solo de la relación a/r_w, sino también de la relación a/R. Para lograr la remoción de capa atómica única por corte mecánico, es decir, remoción de material a escala atómica, tanto los efectos de dimensionamiento atómico como el efecto del radio del filo de corte deben considerarse, significativamente diferente del micro/nanocorte y corte convencional a macroescala.

Generación de superficie

Un objetivo de la remoción de capa atómica única basada en corte es obtener la superficie procesada libre de defectos con estructura cristalina ideal. El efecto de dimensionamiento atómico de la pieza de trabajo en la generación de superficie en corte ACS ha sido estudiado recientemente [20]. En el presente estudio, para indicar claramente el efecto del radio del filo de corte en la generación de superficie en corte ACS, se estudian la topografía de superficie y la composición de la nueva superficie procesada como sigue.

Topografía de superficie

La Fig. 6 muestra las topografías de superficie del Cu (111) procesado a diferentes radios de filo. Aquí, se adopta una profundidad de corte de 2 Å. Como se muestra en la Fig. 6a, b, cuando el radio del filo de herramienta es menor que 3 nm, se pudieron obtener superficies Cu (111) con estructura cristalina ideal. En cuanto a los defectos en el lado izquierdo de la superficie de la pieza de trabajo, se deben a la deformación durante la salida de corte de la herramienta. Durante el corte en etapa estable, no se forma ningún defecto de superficie en la superficie procesada.

A medida que el radio del filo de herramienta aumenta, sin embargo, muchos defectos se forman gradualmente en la superficie procesada. Al radio de filo de 4 nm, muchos defectos tipo picadura se forman en la superficie procesada, ver Fig. 6d. Además, cuando el radio del filo de herramienta es igual o mayor que 5 nm, hay un gran número de defectos de superficie formados, deteriorando seriamente la calidad de superficie. En tal caso, más de una capa de átomos ha sido removida de la superficie de la pieza de trabajo. Por tanto, se puede determinar que a la profundidad de corte de 2 Å, cuando el radio del filo de herramienta es menor que 3 nm, la remoción de capa atómica única podría lograrse en la superficie Cu (111). Debido al efecto del radio del filo de corte, la relación de profundidad de corte (a) a radio de filo (R) debe ser mayor que un umbral, para lograr superficie procesada libre de defectos vía remoción de capa atómica única basada en corte. Aquí, el valor crítico de la relación a/R es [0,05, 0,067].

Composición de superficie

La Fig. 7 muestra la composición de las superficies procesadas a varios radios de filo de herramienta y profundidad de corte de 2 Å. Aquí, átomos verdes y azules son aquellos de la primera y segunda capas, mientras que los átomos rojos son aquellos debajo de la segunda capa atómica. Como se muestra en la Fig. 7a, cuando se usa una herramienta de corte afilada, la relación a/R es 2,85, la superficie procesada solo consiste en átomos de la primera capa. Este resultado indica que la primera capa atómica objetivo ha sido completamente removida de la pieza de trabajo. Además, significa que la remoción de material se conduce en forma capa por capa, en la que los materiales removidos solo provienen de la primera capa atómica objetivo en la superficie de la pieza de trabajo.

Sin embargo, cuando el radio del filo de herramienta es 2 nm y 3 nm, como se muestra en la Fig. 7b, c, las superficies procesadas están compuestas de dos capas atómicas (azul y verde). Indica que aunque la remoción de capa atómica única se ha logrado, el proceso de generación de superficie involucra mínimo 2 capas atómicas. Además, cuando el radio del filo de herramienta es mayor que 4 nm, hay un gran número de átomos de la primera capa atómica en la superficie procesada, indicando que muchos átomos en la primera capa han sido presionados para generar una nueva superficie.

Por tanto, con un aumento en el radio del filo de corte, la generación de superficie ha cambiado grandemente. Dos tipos de mecanismos de generación de superficie involucrados se resumen a continuación:

1. Capa por capa: la primera capa atómica objetivo es completamente removida para generar nueva superficie procesada. Solo átomos dentro de la primera capa son removidos durante el proceso de corte.

2. Remoción multi-capa: aunque la remoción de capa atómica única podría realizarse, los átomos dentro de la capa atómica objetivo sufren dos comportamientos típicos de desplazamiento. Una parte de átomos se formaría en viruta por movimiento de dislocación impulsado por tensión de cizallamiento, mientras que otros serían extruidos en la superficie procesada, bajo la acción de la herramienta de corte. El proceso de remoción de material involucra mínimo dos capas atómicas.

Mecanismo de deformación subsuperficial

En nanocorte, hay deformación elástica y plástica en la superficie procesada durante el proceso de corte. Tras el paso de la herramienta de corte sobre la superficie de la pieza de trabajo, la porción elástica rebota, mientras que la parte deformada plásticamente llevaría a deformación duradera [1,2]. A medida que la profundidad de corte disminuye a escala atómica, en el corte hacia remoción de capa atómica única, se postula que solo ocurre deformación elástica en la superficie procesada. Para verificarlo, se analizan los estados de deformación subsuperficial de la pieza de trabajo durante y tras el corte. La Fig. 8 ilustra las estructuras de defectos en la subsuperficie de la pieza de trabajo a varios radios de filo de herramienta. Aquí, los átomos están coloreados basándose en el parámetro de centrosimetría (CSP), y los átomos con CSP menor que 3 se omiten, que representan aquellos con estructura FCC perfecta.

Cuando el radio del filo de corte es menor que 4 nm, no se forma ningún defecto subsuperficial en la superficie procesada. Solo hay deformación elástica en la superficie procesada durante el corte.

Como se muestra en la Fig. 8, cuando el radio del filo de corte es igual o mayor que 4 nm, se inicializan defectos subsuperficiales. Además, a medida que aumenta el radio del filo de corte, el número de defectos subsuperficiales aumenta significativamente. Cuando el radio del filo alcanza约 10 nm, se ha formado un bucle de dislocación, y no pudo desaparecer tras el corte, como se muestra en la Fig. 9e. Indica claramente la ocurrencia de deformación plástica en la superficie procesada.

Tras el paso de la herramienta sobre la superficie de la pieza de trabajo, la porción deformada elásticamente rebotaría; así, partes de defectos subsuperficiales se aniquilan. Como se muestra en la Fig. 9a-c, finalmente, no existe ningún defecto subsuperficial, cuando el radio del filo de herramienta es 2 nm o 3 nm.

En cuanto a la porción deformada plásticamente, conduce a una deformación duradera. Como se muestra en la Fig. 9, cuando el radio del filo de herramienta es 7,5 nm, hay un pequeño número de defectos subsuperficiales remanentes. Cuando el radio del filo de herramienta es 10 nm, el bucle de dislocación y la falla de apilamiento finalmente existen en la subsuperficie de la pieza de trabajo.

Basado en el análisis anterior, se puede inferir que para permitir la remoción de capa atómica única basada en corte, la deformación plástica debe evitarse y solo se permite deformación elástica en la superficie procesada. Se considera como una característica distintiva del proceso de remoción de capa atómica única basado en corte.

Comportamiento de desplazamiento atómico

Según los archivos de trayectoria MD, el movimiento de dislocaciones ha dominado el proceso de remoción de capa atómica única basado en corte. La Fig. 10 muestra los resultados de simulación usando diferentes radios de filo de herramienta. Al radio de filo de 2 nm, bajo la acción de la herramienta de corte, solo la primera capa atómica se desliza a lo largo de la dirección de corte para formar viruta, mientras que las demás permanecen inmovilizadas. Podría considerarse como una sección transversal de una dislocación de borde.

A medida que el radio del filo de herramienta aumenta, parte del material dentro de la primera capa atómica ha sido presionado en la superficie procesada, induciendo el deslizamiento de las capas atómicas debajo de la primera capa. Además, a medida que el radio del filo de herramienta aumenta, el número de capas atómicas que sufren el proceso de deslizamiento de material tiende a crecer. Cuando el radio del filo de herramienta es 4 nm, excepto la primera capa atómica, la segunda capa atómica también conduce deslizamiento de material a lo largo de la dirección de corte, como se ilustra en la Fig. 10. Cuando el radio del filo de herramienta es 7,5 nm, a medida que la herramienta de corte avanza, las tres capas atómicas superiores en la superficie de la pieza de trabajo se han deslizado a lo largo de la dirección de corte. Además, cuando el radio del filo de herramienta aumenta a 10 nm, una gran cantidad de material ha sido presionado para formar nueva superficie procesada; hay deformación plástica (ver Fig. 10e) ocurriendo en la superficie de la pieza de trabajo, que también puede determinarse en la Fig. 9.

La Fig. 11 muestra el proceso de deslizamiento de la capa atómica objetivo a lo largo de la dirección de corte. El área de la zona de deslizamiento se agranda continuamente con el avance de la herramienta de corte. A la distancia de corte de 17,5 nm, la zona de deslizamiento ha alcanzado un valor máximo. Posteriormente, los materiales dentro de la zona de deslizamiento se forman continuamente en viruta; el volumen de viruta también aumenta.

En general, según el análisis en las Secciones 3.3 y 3.4, a medida que el radio del filo de herramienta aumenta, tanto el mecanismo de deformación subsuperficial como el comportamiento de desplazamiento atómico han cambiado grandemente. A diferentes radios de filo de herramienta, diferentes números de capas atómicas tienden a deslizarse a lo largo de la dirección de corte, mientras que diferentes regímenes de deformación ocurren en la superficie procesada, como se resume en la Tabla 2. Además, se puede encontrar que en el proceso de remoción de capa atómica única basado en corte, la formación de viruta está gobernada por movimiento de dislocación impulsado por tensión de cizallamiento, significativamente diferente de la formación de viruta en corte convencional y nanocorte. También puede considerarse como una característica distintiva de la remoción de capa atómica única basada en corte.

Fuerza de corte

Influencia del efecto del radio de filo

La Fig. 12 muestra el efecto del radio de filo de corte en las fuerzas de corte promediadas a profundidad de corte de 2 Å. Aquí, se comparan los componentes tangencial y normal de las fuerzas de corte, es decir, F_t y F_n. Como se ilustra, para una herramienta de corte afilada, la relación a/R es 2,85, y el F_t de 16,4 nN es evidentemente menor que el F_n de 23,7 nN. A medida que el radio del filo de herramienta aumenta, tanto F_t como F_n aumentan. Sin embargo, el F_n ha exhibido amplitudes de crecimiento mucho mayores que F_t. Indica claramente que a medida que el radio del filo de herramienta aumenta, la fuerza de corte normal tendría mayor efecto en el proceso de remoción de material en el proceso de corte ACS. Sin embargo, cuando el radio del filo de herramienta es mayor que约 3 nm, la remoción de capa atómica única no pudo lograrse. Así, una mayor fuerza de corte normal no sería útil para permitir la remoción de capa atómica única basada en corte, y se debería preferir una menor fuerza de corte normal.

Como las fuerzas de corte normales proporcionan la tensión de compresión para permitir deformación elástica y/o plástica en la superficie procesada, las fuerzas de corte tangenciales proporcionarían la tensión de cizallamiento para la formación de viruta. Por tanto, se puede inferir que la formación de viruta en la remoción de capa atómica única basada en corte debe ser impulsada principalmente por la fuerza de corte tangencial. También se puede ver en la Fig. 12b que el F_t ha exhibido tres tipos de cambios, lo que lleva además a diferentes topografías de superficie (ver Fig. 6), incluyendo lo siguiente:

Cuando el radio del filo de herramienta es menor que约 3 nm, es decir, la relación a/R es 0,067, el F_t permanece aproximadamente inalterado, y siempre es menor que 25 nN, a medida que el radio de filo aumenta. En tal caso, solo una capa atómica es removida de la superficie de la pieza de trabajo.

Cuando el radio del filo de herramienta es 3 nm y 5 nm, las relaciones a/R son 0,04 y 0,067, mientras que el F_t aumenta evidentemente a约 38,5 nN. Consecuentemente, más de una capa atómica es removida de la superficie de la pieza de trabajo, pero hay un pequeño número de defectos de superficie formados.

En cuanto al radio de filo mayor que 5 nm, el F_t también converge gradualmente a un valor constante. En este caso, más de una capa atómica es removida. Sin embargo, se forman grandes números de defectos de superficie en la superficie de la pieza de trabajo y subsuperficie.

Se puede concluir que una fuerza de corte tangencial muy baja podría permitir la remoción de capa atómica única basada en corte a un radio de filo razonable, como 2 nm. A su vez, la remoción de capa atómica única no pudo realizarse, a pesar de la mayor fuerza de corte tangencial.

Influencia del efecto de dimensionamiento atómico

La Fig. 13 muestra además el gráfico de fuerzas de corte versus profundidad de corte a radio de filo de 2 nm. Se puede encontrar que al radio de filo de 2 nm, a medida que la profundidad de corte aumenta, tanto la fuerza de corte normal como la tangencial han exhibido cambios en tres etapas. Hay cambios evidentes a profundidad de corte de约 1,1 Å y 1,6 Å. Las correspondientes relaciones de profundidad de corte (a) a radio atómico de la pieza de trabajo (r_w) son 0,055 y 0,080, que son los dos valores críticos de a/r_w mencionados anteriormente, C₁ y C₂, como se describe en la Sección 3.1.

Cuando la profundidad de corte es menor que 1,1 Å, es decir, la relación a/r_w es menor que 0,055, el F_t es siempre 0 nN, mientras que el F_n aumenta linealmente a约 32 nN. Sin embargo, las fuerzas de corte no pudieron permitir deformación y remoción plástica de material en la superficie de la pieza de trabajo. Consecuentemente, solo hay deformación elástica en la superficie de la pieza de trabajo, como se muestra en la Fig. 3.

Cuando la profundidad de corte es mayor que 1,1 Å, pero menor que 1,6 Å, la relación a/r_w es mayor que 0,055 pero menor que 0,080. En este caso, el F_t ha aumentado grandemente de 0 nN a约 25 nN, mientras que el F_n aumentó aún más a约 58 nN. Las fuerzas de corte son lo suficientemente grandes para permitir la remoción de material en la superficie de la pieza de trabajo. A la profundidad de corte de 1,4 Å, hay formación de viruta y remoción de material en la superficie de la pieza de trabajo. Pero la remoción de material estable y continua no pudo realizarse y se forman muchos defectos en la superficie procesada, como se muestra en la Fig. 4.

Cuando la profundidad de corte es mayor que 1,6 Å, tanto F_t como F_n son lo suficientemente grandes para permitir la remoción de material continua en la superficie de la pieza de trabajo. Consecuentemente, la viruta se forma establemente sobre la superficie de la pieza de trabajo, y la capa atómica objetivo es continuamente removida vía formación de viruta, formando una nueva superficie procesada, como se muestra en la Fig. 5b y Fig. 6b.

En general, tanto el efecto del radio de filo de corte como el efecto de dimensionamiento atómico tienen influencia en la fuerza de corte en el proceso de remoción de capa atómica única basado en corte, cambiando así el proceso de remoción de material y generación de superficie.

Discusiones sobre el mecanismo de remoción de capa atómica única basado en corte

Según el análisis anterior, tanto el efecto de dimensionamiento atómico como el efecto del radio de filo de corte tienen una gran influencia en el mecanismo de remoción de capa atómica única basado en corte. Como se resume en la Tabla 3, dependiendo de la relación de profundidad de corte a radio atómico de la pieza de trabajo (a/r_w) y la relación de profundidad de corte a radio de filo (a/R), hay mínimo 5 casos típicos de comportamientos de deformación y remoción de material en el proceso de remoción de capa atómica única basado en corte. En esta sección, se resume el mecanismo fundamental de deformación y remoción de material de cada caso.

Como se muestra en la Fig. 14, en el proceso de remoción de capa atómica única basado en corte, hay dos porciones involucradas en el corte, es decir, filo de corte nanométrico y los átomos más bajos de la herramienta de corte (B). Tales dos porciones podrían acoplarse para permitir la remoción de capa atómica única. El tamaño del filo de corte, considerado como "nano-herramienta", se describe por el radio de filo (R). El filo de corte es la curva envolvente de los átomos más externos en la herramienta de corte. Respecto a los átomos más bajos, como "herramienta atómica", se describe por el radio atómico de la pieza de trabajo (r_w). La remoción de capa atómica única basada en corte es el resultado de las acciones acopladas de nano-herramienta y herramienta atómica sobre el material de la pieza de trabajo.

Primero, dependiendo de la relación de profundidad de corte (a) a radio atómico de la pieza de trabajo (r_w), es decir, a/r, hay tres tipos de comportamiento de deformación de material en el proceso de corte ACS.

1. La relación a/r_w es menor que el valor crítico 1 (C₁).

Como se muestra en la Fig. 15, la formación de viruta no ocurre, pero la deformación elástica sí ocurre en la superficie de la pieza de trabajo. Durante el proceso de corte, tras el paso de la pieza de trabajo por el punto más bajo de la herramienta de corte, la parte deformada elásticamente se recuperaría completamente. Consecuentemente, no ocurrió deformación ni remoción de material en la superficie superior. En tal caso, el efecto del filo de herramienta podría ignorarse. Esta relación podría verse afectada por propiedades del material (caso 1).

2. La relación a/r_w es mayor que C₁, pero menor que el valor crítico 2 (C₂).

Como se muestra en la Fig. 16, a medida que la relación de profundidad de corte a radio atómico (a/r_w) aumenta para ser mayor que C₁ pero menor que el valor crítico 2 (C₂), hay remoción de material en la superficie de la pieza de trabajo, pero es no continua. En tal caso, solo parte del material dentro de la capa atómica objetivo se forma en viruta por movimiento de dislocación impulsado por tensión de cizallamiento, mientras que los otros permanecen en la superficie de la pieza de trabajo. Cuando la herramienta de corte pasa sobre la superficie de la pieza de trabajo, la calidad de superficie de la superficie procesada se deteriora seriamente (caso 2).

3. La relación a/r_w es mayor que el valor crítico 2 (C₂).

Cuando la relación de profundidad de corte a radio atómico (a/r_w) aumenta para ser mayor que el valor crítico, hay una remoción de material continua por formación de viruta durante el proceso de corte. En tal caso, los efectos del radio de filo ya no pueden ignorarse. Para el proceso de corte ACS, la profundidad de corte máxima es de orden subnanométrico. A tal profundidad de corte extremadamente baja, independientemente del ángulo de ataque nominal, el ángulo de ataque efectivo es siempre ampliamente negativo. La cara de ataque negativa puede producir la tensión de cizallamiento necesaria para permitir la formación de viruta por movimiento de dislocación y la fuerza de compresión para permitir la deformación elástica y/o plástica en la superficie procesada.

Dependiendo de la relación de profundidad de corte (a) a radio de filo de herramienta (R), diferentes tipos de procesos de deformación elástica y/o plástica ocurren en la superficie de la pieza de trabajo. Hay dos valores umbral de a/R, a saber, valor umbral 1 (T₁) y valor umbral 2 (T₂), que llevan a diferentes procesos de remoción de material.

1. La relación a/R es mayor que el umbral (T₁).

Como se muestra en la Fig. 17, hay un plano de deslizamiento atómico. El material de la pieza de trabajo debajo de este plano tendría deformación elástica. En cuanto a los materiales encima de este plano de deslizamiento, sufren una deformación plástica por movimiento de dislocación. Una parte de materiales también se forma en viruta por movimiento de dislocación impulsado por tensión de cizallamiento, mientras que el otro sufre deslizamiento de dislocación. Tras el paso del material de la pieza de trabajo por el punto más bajo de la herramienta de corte, la parte deformada elásticamente se recupera completamente (caso 3).

2. La relación a/R es menor que el umbral 1 (T₁), pero mayor que el umbral 2 (T₂).

Bajo la acción del filo de corte, mínimo dos capas atómicas sufren deslizamiento de dislocación, mientras que la deformación elástica ocurre en la superficie procesada, como se muestra en la Fig. 18. El filo de corte proporciona una fuerza para generar la tensión de cizallamiento para permitir la formación de viruta por movimiento de dislocación y tensión de compresión para inducir deformación elástica en la superficie procesada. En tal caso, parte del material dentro de la capa atómica objetivo se forma en viruta por movimiento de dislocación, mientras que el otro es extruido en otras capas atómicas para formar nueva superficie procesada. También impulsa el deslizamiento de otras capas atómicas en la superficie de la pieza de trabajo, llevando a ascenso negativo de dislocación. Tras el paso del material de la pieza de trabajo por el punto más bajo de la herramienta de corte, la porción elástica rebota (caso 4).

3. La relación a/R es menor que el umbral 2 (T₂).

Como se muestra en la Fig. 19, a medida que la relación a/R disminuye a menor que T₂, no hay formación de viruta o volumen extremadamente pequeño de formación de viruta, pero ocurre deformación elasto-plástica en la superficie procesada. Tras el paso del material de la pieza de trabajo por el punto más bajo del filo de corte, la parte deformada elásticamente rebota. La parte deformada plásticamente (Δ) conduce a deformación duradera. Tal relación está relacionada con propiedades del material, geometría de la herramienta y condiciones de proceso (caso 5).

Conclusiones

En el presente estudio, tanto el efecto de dimensionamiento atómico como el efecto del radio de filo de corte se analizan para investigar su influencia en la formación de viruta, generación de superficie, deformación subsuperficial y comportamiento de desplazamiento atómico durante el corte de cobre monocristalino hacia remoción de capa atómica única. Las siguientes conclusiones pueden extraerse.

1. Se propone un nuevo modelo para describir el mecanismo subyacente de deformación y remoción de material en el proceso de remoción de capa atómica única basado en corte, que exhibe cuatro características, incluyendo formación de viruta por movimiento de dislocación, deformación elástica ocurriendo en la superficie procesada, efecto de dimensionamiento atómico y efecto del radio de filo de corte.

2. Tanto el efecto de dimensionamiento atómico como el efecto del radio de filo de corte tienen una gran influencia en la deformación y remoción de material durante el proceso de corte de cobre monocristalino hacia remoción de capa atómica única. Con una relación específica de profundidad de corte a radio atómico de la pieza de trabajo (a/r_w) y la de profundidad de corte a radio de filo (a/R), la remoción de capa atómica única basada en corte podría lograrse en la superficie Cu (111).

3. La formación de viruta es afectada por las relaciones a/r_w y a/R. Hay formación de viruta solo cuando la relación a/r_w es mayor que un valor crítico (C₁) y la relación a/R es menor que un valor umbral (T₁). Además, la formación de viruta depende principalmente del movimiento de dislocación impulsado por tensión de cizallamiento, significativamente diferente de la formación de viruta dominada por extrusión en nanocorte y dominada por cizallamiento en mecanizado convencional.

4. La remoción de capa atómica única puede lograrse vía remoción capa por capa y remoción multi-capa. La primera se refiere a que la capa atómica objetivo podría ser completamente removida de la superficie de la pieza de trabajo. La segunda significa que la primera capa atómica es parcialmente removida mientras que los materiales restantes son presionados en otras capas atómicas, formando una nueva superficie procesada.

5. Solo hay deformación elástica ocurriendo en la superficie procesada durante el proceso de corte ACS, diferente de la deformación elasto-plástica en nanocorte. Puede considerarse como una característica distintiva en corte ACS.

6. Dependiendo del efecto combinado del efecto de dimensionamiento atómico y efecto del radio de filo de corte, existen cinco casos de procesos de deformación y remoción de material durante la remoción de capa atómica única basada en corte: ningún material de la pieza de trabajo es removido (caso 1), materiales de la pieza de trabajo son removidos de forma no continua (caso 2), una parte de materiales se forma en viruta mientras que los otros sufren deslizamiento de material vía movimiento de dislocación (caso 3), una parte de materiales dentro de la capa atómica objetivo se forma en viruta mientras que los otros son extruidos en otras capas atómicas para formar nueva superficie procesada (caso 4), y la parte deformada elásticamente rebota, mientras que la parte deformada plásticamente conduce a una deformación duradera (caso 5).

Disponibilidad de datos y materiales

Los autores declaran que los materiales, datos y protocolos asociados están disponibles para los lectores, y todos los datos usados para el análisis están incluidos en este artículo.

Abreviaturas

ACS:

Escala atómica y cercana a la atómica (Atomic and close-to-atomic scale)

ACSM:

Fabricación a escala atómica y cercana a la atómica (Atomic and close-to-atomic scale manufacturing)

MD:

Dinámica molecular (Molecular dynamics)