Exploración del Nanomecanizado Basado en Punta con Dinámica Molecular: Una Revisión Exhaustiva

Resumen

Los enfoques de nanomecanizado basado en punta (TBN) se han demostrado como una técnica potente y factible para la fabricación de microestructuras. La simulación de dinámica molecular (MD) se ha aplicado ampliamente en el enfoque TBN para explorar mecanismos que no pueden revelarse completamente mediante experimentos. Este artículo revisa el progreso científico reciente en la simulación MD del enfoque TBN. Primero se presentan los métodos de establecimiento del modelo de simulación para diversos materiales. Luego, se discute el análisis del mecanismo de mecanizado para el enfoque TBN, incluyendo el análisis de la fuerza de corte, el análisis de la remoción de material y el análisis de defectos en la subsuperficie. Finalmente, se presentan las limitaciones actuales y las perspectivas futuras del método TBN en simulaciones MD. Se espera que esta revisión proporcione una referencia para investigaciones posteriores.

Introducción

La tecnología de micro/nanofabricación se ha utilizado ampliamente en diversas áreas, como medio ambiente, energía, biología, medicina, defensa nacional y otros campos, desempeñando un papel cada vez más importante en la promoción del desarrollo nacional y el progreso social. Para lograr una micro/nanofabricación de alta precisión, el enfoque de mecanizado mecánico basado en sonda de microscopía de fuerza atómica (AFM), conocido como TBN, cuenta con equipos y operaciones simples, precisión de mecanizado a nanoescala con bajos requisitos ambientales, y se ha demostrado como un enfoque potente y factible para fabricar microestructuras. Hasta ahora, nanopuntos, líneas/surcos, estructuras bidimensionales (2D)/tridimensionales (3D) e incluso nanoestructuras en superficies curvas, conocidas como los principales componentes de nanodispositivos, se han fabricado exitosamente mediante el método TBN.

Para fabricar nanoestructuras con mayor precisión, se necesita una comprensión profunda del proceso de mecanizado de los métodos TBN. Muchos investigadores han investigado el mecanismo del enfoque TBN con experimentos en diversos materiales, como metales, semiconductores y polímeros. Sin embargo, es difícil investigar más a fondo el mecanismo interno de los enfoques TBN mediante experimentos. La simulación de dinámica molecular (MD) se ha demostrado como una herramienta poderosa para explorar el proceso de nanomecanizado que no puede revelarse completamente mediante experimentos. En comparación con el método experimental, el método MD puede explicar mejor el mecanismo a microescala de la remoción de material y la generación de superficie mediante el análisis de fuerzas de corte, estado de tensión, disipación de energía y topografía de superficie.

En el pasado, algunos investigadores ya han utilizado la tecnología de simulación MD para investigar los procesos TBN. Fang et al. investigaron los efectos de la alimentación de rayado y el ángulo del cono en el proceso de nanolitografía. Isono y Tanaka analizaron los efectos de la temperatura, la mecanibilidad y las fuerzas interatómicas del níquel. Yan et al. estudiaron los efectos de la geometría de la punta en el proceso de litografía basado en AFM. Actualmente, algunos procesos TBN novedosos se han investigado con simulaciones MD. Xiao et al. compararon la diferencia entre el método de arado estático y el método de arado dinámico, y encontraron que nanoestructuras más pequeñas podrían fabricarse con el método de arado dinámico. Geng et al. realizaron simulaciones MD de nanorrayado controlado por carga aplicando directamente una carga normal constante en la sonda. Para fabricar nanorranuras con mayor densidad, se debe estudiar la alimentación mínima (MF). Ren et al. presentaron un enfoque novedoso que implica un criterio de grueso a fino para determinar MF con el uso de simulaciones MD. Los resultados muestran que se obtiene una MF de alta precisión. Sin embargo, en artículos de revisión previos, estos nuevos avances de la tecnología de simulación MD utilizada para el proceso TBN no se incluyen. Así, en esta revisión, nos centramos en el estado del arte reciente de la simulación MD para métodos TBN. Las tecnologías de modelado en diversos materiales y métodos de mecanizado novedosos se discuten primero. Luego, se revisa el mecanismo de los métodos TBN, incluyendo análisis de fuerza de corte, análisis de remoción de material y análisis de defectos en subsuperficie. Finalmente, también se presentan los desafíos restantes y las perspectivas futuras en la simulación MD de TBN.

Métodos de Simulación

Establecimiento del Modelo MD

La configuración atómica interna de los materiales cristalinos es variada, como cobre (cúbico centrado en caras), hierro (cúbico centrado en cuerpo), titanio (hexagonal compacto) y silicio (estructura de diamante). La mayoría de los materiales cristalinos están en forma de monocristal y estructura policristalina. El sólido monocristalino tiene una estructura atómica que se repite periódicamente en todo su volumen con ausencia de defectos. Duplicar la celda unitaria en las tres direcciones espaciales puede establecer fácilmente el modelo de monocristal. Al establecer el modelo atómico MD, se deben considerar las diversas orientaciones de superficie, que pueden influir en las propiedades de mecanizado de la pieza de trabajo. La estructura policristalina tiene una estructura con diferentes tamaños de grano, que se construyó siguiendo el método de teselación de Voronoi. El material nanotwinado (NT) es un tipo de estructuras especiales de policristal que se ha convertido en un objeto de investigación más importante debido a sus destacadas propiedades mecánicas, como ultra-alta resistencia, buena ductilidad y alta tenacidad a la fractura. En esta revisión, se da como ejemplo el método para construir Cu policristalino NT: primero, se construye una multicapa que consiste en múltiples capas de Cu monocristalino de igual espesor y se forman NT entre capas adyacentes. Segundo, se calcula el ángulo de cada grano. Finalmente, se genera policristalino NT con condiciones de frontera periódicas usando construcción de Voronoi, que acomoda la multicapa y el ángulo de grano obtenido.

En estudios previos, el polímero se modeló con un modelo genérico de grano grueso. Por ejemplo, los detalles para establecer el modelo de polietileno (PE) son los siguientes: (i) el sistema PE inicial con 10 cadenas moleculares se obtuvo con el uso del algoritmo de caminata aleatoria autoevitante de Monte Carlo; (ii) el primer átomo de cada cadena se insertó en un sitio disponible de la red primero y luego la cadena molecular comenzó a crecer en una cierta dirección basada en una manera probabilística paso a paso según la longitud del enlace y los sitios no ocupados en la celda; (iii) una vez dada la densidad inicial, se determina el tamaño de la caja de simulación.

La geometría de la punta es generalmente compleja y variable, incluyendo forma cónica, pirámide triangular y hemisferio (forma roma), lo que juega un papel importante en el proceso TBN. En particular, la forma de la herramienta piramidal en el modelo MD es consistente con la del proceso de mecanizado AFM y la herramienta esférica es consistente con el grano abrasivo en el proceso de rectificado; así, el mecanismo de mecanizado puede explicarse mejor comparando los resultados de simulación con los resultados experimentales. En la mayoría de los casos, la punta se considera infinitamente rígida, lo que se logra manteniendo las posiciones relativas de los átomos constantes y moviéndose a velocidad constante.

También es crucial seleccionar las funciones de energía potencial adecuadas que determinan la credibilidad de los resultados de simulación. EAM es un potencial multibody adecuado para sistemas metálicos. Proporciona una descripción más realista de la cohesión metálica y evita la ambigüedad heredada por la dependencia del volumen, empleándose para describir la interacción entre átomos metálicos, como cobre y hierro. Los potenciales Tersoff y Stillinger-Weber (SW) han demostrado ser particularmente factibles para modelar materiales con estructura cúbica de diamante. Para investigar el mecanismo de Si en el proceso TBN, el deslizamiento de dislocaciones y la transformación de fase deben observarse en simulaciones MD. En comparación con el potencial Tersoff, el potencial SW no solo tiene suficiente flexibilidad para describir varias configuraciones de silicio diferentes, sino que también proporciona la coincidencia más cercana con los resultados de nucleación de dislocaciones ab initio en silicio libre de defectos. Así, la función de potencial SW puede tener más potencial para describir la interacción entre átomos de silicio.

La mayoría de las simulaciones MD se realizaron con el uso del Simulador Paralelo Masivo de Dinámica Molecular/Atómica a Gran Escala (LAMMPS). Algunos modelos de piezas de trabajo complejos como materiales policristalinos y nanotwinados podrían realizarse con Atomsk. La construcción de polímeros, incluyendo átomos, ángulos de enlace, impropios y sus diversos tipos se obtienen del archivo de datos generado desde Material Studio (MS). Tanto la Herramienta de Visualización Abierta (OVITO) como la dinámica molecular visual (VMD) son herramientas útiles para visualizar el modelo o el proceso de mecanizado.

Con el uso de simulaciones MD, varios modelos de materiales podrían establecerse eficazmente. Sin embargo, la mayoría de los modelos de piezas de trabajo son menores de 50 nm × 50 nm × 50 nm en tamaño, lo que puede resultar en desviación de los resultados reales. Además, todavía hay una falta de funciones de potencial que puedan describir eficazmente algunos materiales como GaAs y Lu₂O₃. Así, los modelos MD y las funciones de potencial relacionadas aún necesitan optimizarse para describir el proceso de simulación con mayor precisión.

Configuración de Procesamiento

En experimentos TBN, el modo controlado por carga generalmente se lleva a cabo aplicando una carga normal constante en la punta. Este modo se ha demostrado de mayor precisión, especialmente al realizar nanomecanizado en superficies inclinadas o curvas. Sin embargo, muchas simulaciones MD de procesos TBN se realizan bajo modo controlado por desplazamiento, lo que puede llevar a diferencias entre simulación y experimento. Así, algunos investigadores han realizado simulaciones MD de nanorrayado controlado por carga aplicando directamente una carga normal constante en la sonda. En los procesos de mecanizado, se puede dividir en tres partes: etapa de relajación, etapa de penetración y etapa de rayado. Además, la punta no es completamente perpendicular a la pieza de trabajo debido a la flexión del haz del microscopio de fuerza atómica (AFM), sustrato con ángulo de inclinación, así como rugosidad de la superficie de la muestra. Así, el efecto de la inclinación de la punta no debe descuidarse. Liu et al. eligieron puntas con diferentes ángulos de inclinación para investigar el efecto de la inclinación de la punta en los resultados de mecanizado. Además, el desgaste de la punta es un factor clave para el proceso de mecanizado, que tiene gran influencia en la calidad del mecanizado. El nanorrayado con lubricación de capa de agua puede reducir el desgaste de la punta para aumentar la vida de la herramienta y garantizar la calidad del mecanizado. Sin embargo, el mecanismo de mecanizado afectado por la lubricación de capa de agua aún no se comprende bien. Para resolver este punto, Ren et al. usaron el método de simulación MD para investigar los efectos de la lubricación de capa de agua en los resultados de mecanizado con cobre monocristalino.

El proceso de rayado único se ha demostrado como un método fácil para fabricar nanorranura, pero tiene limitación en la dimensión de la ranura. El método de rayado multipaso se presentó para ampliar el tamaño de la nanorranura. Geng et al. estudiaron la diferencia entre el enfoque de pasada única y el enfoque multipaso con simulación MD y resultados experimentales. Tanto el enfoque de pasada única como el multipaso pueden considerarse como litografía de arado estático, que se realizan con el modo de contacto del sistema AFM. Sin embargo, la litografía de arado estático puede inducir un desgaste de punta no despreciable al realizar procesos de rayado de larga distancia. La técnica de mecanizado basada en modo de toque se denomina litografía de arado dinámico, que tiene el potencial de reducir el desgaste de la punta. Basado en el principio de la técnica de mecanizado basada en modo de toque, Sundaram et al. han desarrollado un método novedoso de nanomecanizado usando AFM, denominado Vibration-Assisted Nano Impact machining by Loose Abrasives (VANILA). En este método, el AFM se usa como plataforma y nanoabrasivos se inyectan en la suspensión entre la pieza de trabajo de silicio y la vibración de la punta AFM. La energía cinética para los abrasivos se genera por la vibración de la punta AFM y consecuentemente resulta en remoción de material a nanoescala de la muestra.

Análisis de Resultados de Simulación

Análisis de Fuerza de Corte

La fuerza de corte podría reflejar claramente el proceso de remoción de material y la evolución de defectos, que es un parámetro físico importante para entender el fenómeno de corte. Además, la fuerza de corte está estrechamente relacionada con la potencia de corte y la vida de la herramienta, lo que podría proporcionar orientación en el proceso de mecanizado TBN. En el proceso TBN, la fuerza de corte se evalúa principalmente por el método de calibración de fuerza, pero la fuerza lateral no podría obtenerse por este método. Al usar la tecnología de dinámica molecular, la variación de fuerzas de corte incluyendo fuerzas laterales y tangenciales puede observarse en tiempo real para todo el proceso. Además, la fuerza promedio y la fuerza resultante también podrían obtenerse a través del método de simulación MD.

A través del análisis de la variación de la fuerza de corte, la diferencia de diversas estructuras de materiales y la influencia de parámetros de mecanizado en el proceso TBN pueden reflejarse. Li et al. encontraron fuerzas más altas para rayado en Cu policristalino comparado con Cu monocristalino, atribuido al hecho de que la anisotropía del grano de superficie tiene poco efecto entre pieza de trabajo y punta cuando la punta pasa de un grano a otro de diferentes orientaciones cristalinas, mientras que el flujo plástico estable se muestra en la remoción de material de Cu monocristalino debido a su único sistema de orientación. También se encontró que la fuerza de corte para diferentes estructuras cristalinas aumenta con el incremento de la velocidad de corte porque una mayor velocidad de nanorrayado produce más virutas. Por el contrario, el cambio de fuerza de corte presenta comportamiento adverso en el proceso de rayado de SiC, porque una mayor velocidad puede generar más átomos de estructura cristalina amorfa, lo que hace que el material SiC sea más dúctil y fácil de remover. Yan et al. investigaron la procesabilidad de bicapas Cu/Ni usando el método de simulación MD y encontraron que la fuerza de bicapas Ni-Cu es mayor comparada con Cu, Ni y bicapas Cu-Ni, ya que el movimiento de dislocaciones fue impedido por la interfaz de bicapas que sirvió como barrera de propagación. En cuanto a polímeros amorfos, la propiedad de mecanizado fue influenciada por la velocidad de rayado en tres aspectos diferentes: primero, la mayor altura de acumulación frente a la punta generada a mayor velocidad conduce a una mayor fuerza tangencial debido a más resistencia a la punta. Luego, una mayor velocidad conduce a una mayor tasa de deformación, lo que puede provocar el endurecimiento por deformación del material. Esto también llevaría al incremento de fuerzas de corte. Finalmente, con el incremento de la velocidad, el efecto de ablandamiento térmico permite que la pieza de trabajo sea mecanizada más fácilmente, reduciendo la fuerza tangencial y normal. En los procesos de mecanizado de polímeros, las fuerzas de corte aumentan con el incremento de la velocidad, indicando que el efecto de acumulación y endurecimiento por tasa de deformación juegan roles más importantes en la determinación de 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. Ren et al. investigaron el efecto de los ángulos de punta en las fuerzas de corte con punta de forma cónica. Se encontró que las fuerzas aumentan con el incremento de los semiángulos ápice debido al crecimiento del área de contacto entre punta y materiales de la pieza de trabajo. Además, el coeficiente de fricción disminuye fuertemente con el semiángulo ápice, mientras que la dureza aumenta.

Algunos investigadores también investigaron la variación de la fuerza de corte en condiciones de mecanizado específicas. Ren et al. analizaron la correlación entre el espesor de la capa de agua y las fuerzas de rayado. A diferencia del proceso de macrorrayado donde la capa de agua principalmente juega papel de lubricación y reducción de fuerza de corte, la resistencia de la capa de agua es dominante comparada con el efecto lubricante y la capa de agua más gruesa conduce a mayores fuerzas de corte totales. Además, el efecto de la inclinación de la punta también se discute mediante el análisis de dureza (fuerza normal por átomo) y coeficiente de fricción. Los resultados muestran que la dureza normal es más sensible en dirección hacia adelante o hacia atrás y el efecto de la inclinación de la punta lateralmente puede descuidarse. Además, el efecto de la inclinación en la fuerza normal es la razón principal para el cambio del coeficiente de fricción y el efecto de la inclinación en la fuerza de rayado es mucho menor que el efecto en la fuerza normal.

Al comparar la fuerza de corte entre arado estático y arado dinámico, la diferencia de mecanismo puede revelarse. La fuerza de corte en la litografía de arado dinámico oscila drásticamente con el golpeo periódico de la punta de diamante, mientras que se observan ligeras fluctuaciones en el arado estático. Además, la fuerza de mecanizado promedio en arado dinámico es menor que la mitad de la del arado estático, indicando menor desgaste de punta en la litografía de arado dinámico. En el proceso de arado dinámico, la orientación de la punta tiene gran influencia en la fuerza de corte. Yan et al. combinaron la profundidad de ranura y la fuerza de arado para comparar la eficiencia de mecanizado. Los resultados muestran que la orientación sideface-forward de la punta tiene la mejor eficiencia ya que tenía una fuerza de arado similar a la de orientación face-forward pero al mismo tiempo más del doble de profundidad de ranura. A través del análisis de fuerzas de corte, el mecanismo del proceso de mecanizado TBN con diversos materiales y condiciones de mecanizado podría explicarse más. Además, la comparación de fuerzas de corte en diversos modos de procesamiento podría proporcionar orientación para la optimización del proceso del enfoque TBN.

Análisis del Estado de Remoción de Material

El análisis del estado de remoción de material también es un método esencial para revelar el mecanismo del enfoque TBN. La remoción del material y la topografía en el proceso de mecanizado generalmente se observan mediante microscopio electrónico de barrido (SEM) y AFM. Sin embargo, la morfología de la ranura y el estado de remoción solo pueden detectarse después del procesamiento y el proceso de remoción de material no podría entenderse dinámicamente. Recientemente, Zhang et al. usaron herramientas de corte lineales conectadas directamente en SEM para ver el proceso de formación de viruta en corte de material, mientras que este método es complicado y el SEM debe modificarse. Así, este método es difícil de generalizar. En comparación con el método experimental, el método de simulación MD puede usarse fácilmente para explorar el mecanismo de remoción de material y generación de superficie a nanoescala, y el proceso de mecanizado puede observarse en tiempo real mediante el método MD.

Se sabe de los resultados de 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 del material de la pieza de trabajo delante de la punta son comprimidos y luego se acumulan para formar la viruta continua durante el estado de corte. Simultáneamente, también hay algunos átomos de material de la pieza de trabajo que se acumulan en los lados izquierdo y derecho de la ranura fabricada después del paso de la punta. Al comparar la proporción del estado de corte al estado no de corte, podemos obtener si el estado de corte o el estado de arado ocupa la parte dominante cuando se usan varios radios de punta para rayar a diferentes profundidades de rayado. En los últimos años, muchos investigadores han investigado más las propiedades de materiales en los estados de remoción de material. Por ejemplo, el material monocristalino muestra anisotropía en el proceso TBN, que tiene gran efecto en la remoción de material. Comparado con materiales monocristalinos, los bordes de grano tienen un efecto importante en las propiedades mecánicas de materiales policristalinos. Gao et al. encontraron que la orientación del grano en lugar del tamaño del grano también es dominante en la determinación del perfil de la acumulación. Además, la geometría de la punta también tiene fuerte efecto en la remoción de material. Tres tipos de punta (cónica, pirámide triangular y hemisférica) fueron seleccionados para revelar el efecto de la geometría de la punta en el estado de remoción de material. Para la punta cónica, hay una clara dependencia del semiángulo ápice. Un semiángulo ápice mayor de la punta conduce a mayor volumen de viruta y mejora la suavidad de la superficie de rayado, pero requiere mayor fuerza de rayado, genera mayor coeficiente de fricción y mayor temperatura en la pieza de trabajo, y aumenta el daño subsuperficial. Alhafez también investigó el efecto del semiángulo ápice en la formación de acumulación. Se encontró que al rayar con pequeño semiángulo ápice de la punta, la acumulación se acumula principalmente en dirección hacia adelante, mientras que la acumulación lateral domina para la condición de mecanizado de gran semiángulo ápice de la punta. Algunos estudios se enfocaron en la punta piramidal triangular que es consistente con la geometría real de la punta en el proceso de mecanizado basado en AFM. Tres direcciones de mecanizado fueron principalmente comparadas, que son edge-forward, face-forward y sideface-forward. En el proceso de mecanizado de SiC, el estado de remoción de material puede controlarse simplemente ajustando la dirección de rayado de la herramienta. La dirección de rayado edge-forward puede proporcionar un proceso más estable, que puede resultar en mejor precisión dimensional y consistencia de las ranuras obtenidas. Sin embargo, el estado de remoción de material de polímeros es más sensible a la temperatura comparado con materiales metálicos o semiconductores. Durante el proceso de rayado, la temperatura local en la zona de rayado es mayor que la temperatura de transición vítrea, lo que indica que la pieza de trabajo en la zona de rayado puede ser removida de manera dúctil.

Como se puede ver en la discusión anterior, la mayoría de los estudios se enfocaron principalmente en condición seca en lugar de 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 alto espesor de la capa de agua y la rugosidad superficial disminuye visiblemente y resulta en una superficie relativamente suave. Se puede explicar que la capa de agua actúa como lubricante para reducir la región de adherencia entre la herramienta y la superficie de viruta recién formada y reduce la fuerza de arrastre exhibida en el límite cara viruta-herramienta. La consecuencia directa es que la calidad de superficie mejora enormemente. Con el aumento del espesor de la capa de agua, la calidad de superficie puede mejorarse gradualmente. En algunos enfoques de mecanizado novedosos, Shockly et al. investigaron los efectos de parámetros (velocidad de impacto, ángulo de impacto y temperatura de operación) en el mecanizado nanoimpacto asistido por vibración en la formación de nanocavidad y encontraron que los parámetros de operación tienen influencia sustancial en la profundidad y anchura de las nanocavidades generadas. Xiao et al. encontraron que la profundidad y anchura de la ranura en el proceso de arado dinámico son menores que las del proceso de arado estático, lo que significa que nanoestructuras con características pequeñas podrían fabricarse a través de litografía de arado dinámico. Además, la dimensión de las ranuras podría controlarse por la relación de amplitud de accionamiento en el proceso de arado dinámico, y esto demuestra que la fabricación de las ranuras también podría ser controlable.

Durante el proceso de remoción de material, existe comportamiento de desgaste en la punta. En la mayoría de los estudios previos, la punta se define como cuerpo rígido, lo que significa que el fenómeno de desgaste de herramienta no podría observarse directamente. Muchos investigadores investigaron el desgaste de herramienta estudiando el estado de remoción de material, tensión y distribución de temperatura. Para reflejar el fenómeno real de desgaste de la punta durante el proceso de mecanizado, Meng et al. establecieron la punta como cuerpo deformable y encontraron comportamiento de desgaste de la punta durante el proceso de mecanizado. Los resultados muestran que la forma de desgaste del abrasivo de diamante es principalmente desgaste adhesivo en la etapa inicial y desgaste átomo a átomo en la etapa de estabilidad del procesamiento y la cantidad de desgaste por atribución átomo a átomo del abrasivo es menos afectada por la velocidad de corte. Es notable que hay relativamente pocos informes sobre el comportamiento de desgaste de la punta. Esperemos que el uso del cuerpo deformable de la punta se espera que promueva aún más la investigación del comportamiento de desgaste de la punta durante el proceso de nanomecanizado.

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 mencionada anteriormente, la morfología de la superficie mecanizada y el proceso de remoción de materiales solo podrían analizarse por comparación cualitativa. Es difícil predecir los resultados de procesamiento precisos.

Análisis del Proceso de Evolución de Defectos

Para obtener información sobre los defectos generados durante el proceso de rayado, TEM se emplea generalmente después de las técnicas de preparación de muestra FIB, que tiene varias desventajas, como operación relativamente complicada, alto costo y fuerte dependencia del material. El método de simulación MD puede obtener los defectos generados debajo de la superficie de la muestra fácilmente. Además, el proceso de evolución de defectos durante el rayado también podría observarse usando el enfoque de simulación MD, que no podría obtenerse por método experimental. Muchos algoritmos disponibles para extraer tipos de defectos fueron presentados, incluyendo análisis de vecino común (CNA), parámetro de centrosimetría (CSP), análisis de vector de deslizamiento, análisis de Ackland-Jones, etc. Sin embargo, estos métodos no son adecuados para rastrear la propagación de dislocaciones, especialmente cuando un gran número de dislocaciones son generadas por rayado de punta a lo largo de cierta dirección, y ya no podemos investigar qué está ocurriendo dentro de la muestra usando estos métodos. Chen et al. presentaron análisis de deslizamiento para visualizar el proceso de deslizamiento atómico para deformación de material, que podría filtrar aquellos átomos que se han deslizado relativos a sus átomos vecinos durante un período de tiempo especificado en la condición con gran número de átomos. Usando este método, Xiao et al. investigaron el proceso de deslizamiento durante litografía de arado dinámico y estático. La relación entre la fuerza de corte y el proceso de deslizamiento se muestra. Se puede ver que para arado dinámico, el material de la muestra fluye principalmente hacia abajo y lateralmente, mientras que no se observa flujo descendente obvio de material en el proceso de arado estático. Además, la propagación de la dislocación depende de la orientación de la punta, conduciendo a diversas morfologías de las ranuras. El algoritmo de extracción de dislocaciones (DXA) también es una herramienta útil de análisis de dislocaciones para identificar la dislocación de red y determinar su vector de Burgers. Usando este método, Gao et al. investigaron el comportamiento del nanorrayado de hierro. Encontraron una reorganización distinta de la red de dislocaciones. Al principio, la zona plástica crece linealmente con la longitud de rayado a lo largo del camino. Luego, la densidad de dislocaciones disminuye rápidamente después de algunas reacciones de dislocaciones de longitud. La actividad plástica entonces se concentra solo en el frente de rayado. Solo quedan pocas dislocaciones en el medio del rayado. Las vacancias en esta zona son creadas por reacciones de dislocaciones. También se encontró que defectos puntuales vacancias generados por reacciones de dislocaciones y geminación por deformación.

Para materiales policristalinos, el mecanismo de deformación fue mediado por nucleación de dislocaciones dentro del interior del grano así como dislocaciones de borde de grano en material policristalino. Mientras que la propagación de dislocaciones está asociada con la formación de nanovacíos y clusters intersticiales en el caso de mayor tamaño de grano, y la formación de gemelos en el borde de grano dominaba para clusters más pequeños. Este comportamiento se atribuyó a la transición del movimiento de dislocaciones de suave (mayor grano) a rugoso (menor grano) durante el proceso de rayado. Li concluyó además la diferencia del mecanismo de deformación de material sobre Cu monocristalino, Cu policristalino y Cu policristalino NT. Los resultados muestran que la deformación plástica es principalmente afectada por la interacción entre dislocaciones durante el proceso de rayado en Cu monocristalino; mientras que para Cu policristalino tanto dislocaciones como GB dominan la deformación plástica; y la deformación plástica es controlada por las interacciones de la dislocación, borde de grano (GB) y borde de gemelo (TB) acompañada de geminación/desgeminación.

Además, muchos estudios se enfocaron en la simulación MD del proceso TBN en materiales semiconductores, como silicio, carburo de silicio, arseniuro de galio y nitruro de aluminio. Para investigar estos materiales frágiles, la transformación de fase también es un modo de deformación importante además del deslizamiento de dislocaciones. La interacción entre dislocación y transformación de fase varía con la orientación cristalina. Los resultados indican que antes del evento "Pop-In", Si (010) sufre deformación inelástica acompañada por la transformación de fase de Si-I a Si-III/Si-XII, que no ocurre en Si (110) y Si (111). Mientras que la transformación de fase de Si-I a bct-5 es el mecanismo dominante de plasticidad incipiente para cada orientación cristalográfica, y la nucleación de dislocaciones también es un modo de deformación operante en la transición elástico-plástica de Si (010). Dai et al. investigaron el mecanismo de daño subsuperficial en silicio monocristalino durante el proceso TBN. Se encontró que la evolución de fases cristalinas es consistente con la distribución de tensión hidrostática y temperatura. SiC también es un tipo de material semiconductor importante, que tiene propiedad similar al silicio. El proceso de remoción de material SiC se logra a través de la transferencia de fase de zinc blenda a estructura amorfa con pocas estructuras de diamante hexagonal. Mayor velocidad de rayado genera más átomos de estructura amorfa, menos átomos de diamante hexagonal y menos átomos de dislocación debido a mayor impacto y menos tiempo de rearranque. Mientras que Meng et al. encontraron que cuando la transición de fase no es el mecanismo de deformación dominante, el método del coeficiente de Schmidt puede predecir eficazmente el movimiento de deslizamiento de 3C-SiC durante el proceso TBN (movimiento de deslizamiento elástico y movimiento de deslizamiento de dislocación). Además, Meng et al. estudiaron más el efecto de la tasa de deformación y calor en el mecanismo de remoción de SiC. Encontraron que el efecto de tasa de deformación y el efecto de ablandamiento térmico afectan directamente la cantidad de remoción de material y la forma del daño subsuperficial (SSD). La influencia del efecto de ablandamiento térmico en la tensión en la región de procesamiento bajo la condición de alta tasa de deformación supera la del descenso en la tasa de crecimiento de la velocidad de generación de dislocaciones. El proceso de remoción de SiC policristalino está dominado por la transición de fase amorfa. Además, se encuentran varios átomos de estructura de diamante hexagonal y dislocaciones en los GBs durante el rayado. Mayor velocidad de rayado y mayor profundidad de corte promueven más átomos a transferirse a la estructura amorfa debido a mayor impacto. Comparado con SiC monocristalino, la microestructura en policristalino hace el SiC más blando generando menor fuerza normal de rayado y transición de fase de estructura amorfa y SSD inducido por deformación plástica más delgado. El análisis de propagación de dislocaciones y transición de fase podría explicar el mecanismo en el proceso de mecanizado. Sin embargo, la mayoría de investigaciones se enfocaron en materiales monocristalinos y los materiales con estructura compleja rara vez se reportan, lo que debería estudiarse más.

Direcciones Futuras de Investigación y Desafíos

Actualmente, la investigación sobre el proceso TBN a través de simulación MD se reporta ampliamente. Sin embargo, todavía hay algunas limitaciones a considerar. Así, las direcciones futuras se discuten en esta revisión.

1. Con el desarrollo de métodos TBN, algunas tecnologías novedosas han sido propuestas en este campo. Por ejemplo, el proceso de nanofresado basado en punta AFM tiene una amplia perspectiva debido a su gran rendimiento de mecanizado y propiedades de control de tamaño. Sin embargo, el mecanismo de nanofresado no se ha comprendido completamente debido a la limitación del equipo de detección. Con el uso de simulación MD, se espera que la variación de la fuerza de corte, el cambio dinámico de defectos y el estado de remoción de materiales de la pieza de trabajo durante el proceso de rotación de la punta. Además, el método de nanorrayado asistido por vibración de muestra no se ha reportado aún. El enfoque de simulación MD podría proporcionar orientación significativa en la etapa temprana.

2. Debido a la limitación de las escalas de longitud y tiempo, los métodos MD aún no podrían describir completamente el proceso experimental cuantitativamente. En algunos estudios que combinan experimentos y simulaciones MD, el enfoque de simulación MD solo podría explicar cualitativamente los fenómenos experimentales. En particular, para algunos materiales dependientes del tiempo como polímeros amorfos, la velocidad de la sonda tiene un impacto significativo en el estado de remoción de polímeros. Así, para predecir con precisión el proceso experimental y analizar cuantitativamente los resultados experimentales, la mejora del algoritmo y la capacidad de cómputo es indispensable.

3. Muchas nanoestructuras se han logrado en materiales poliméricos usando el método TBN. En particular, el proceso de mecanizado mecánico de materiales poliméricos basado en el método TBN mantiene la carga normal constante para garantizar la precisión de las nanoestructuras mecanizadas. Sin embargo, los reportes de simulación MD de polímero en proceso TBN son limitados hasta ahora. Además, la litografía de sonda de barrido térmica se está desarrollando en polímero, que tiene el potencial de mejorar la precisión de mecanizado del proceso TBN. Es necesario revelar el mecanismo de remoción de material de los materiales poliméricos al realizar proceso de nanorrayado con efecto mecánico-térmico.

Conclusiones

Es innegable que la tecnología de simulaciones MD juega un papel cada vez más crucial en el proceso de nanomecanizado para revelar fenómenos hasta ahora desconocidos. Esta revisión concluyó el progreso reciente en la simulación MD del método TBN, y los contenidos anteriores se resumen como sigue:

1. Se resumieron el establecimiento de modelos MD de diversos materiales y funciones de potencial relacionadas. En particular, se discutió el proceso de modelado de materiales nanotwinados policristalinos y polímeros amorfos en esta sección. La precisión de los modelos MD es de gran importancia para los resultados de simulación subsiguientes.

2. Se presentaron las nuevas tecnologías de métodos TBN, incluyendo rayado múltiple, arado dinámico y VANILA. Con la ayuda de simulación MD, el mecanismo de estos métodos podría entenderse mejor. En particular, la diferencia esencial entre arado estático y arado dinámico fue revelada por el método MD desde los aspectos de defectos internos, morfología y fuerzas de corte.

3. El análisis de simulaciones MD en proceso TBN, incluyendo la fuerza de corte, el estado de remoción de material y análisis de defectos también se resumen. Además, algunos métodos de análisis novedosos como análisis de deslizamiento también se dan. Con estos métodos, el mecanismo de procesamiento basado en enfoque TBN es revisado, lo que muestra la dependencia de materiales en el proceso de mecanizado TBN.