Mecanismo de deformación subsuperficial en nanocorte de arseniuro de galio: perspectivas de simulación de dinámica molecular

Resumen

Durante el proceso de nanocorte, el arseniuro de galio monocristalino se enfrenta a diversas deformaciones y daños en la superficie/subsuperficie que influyen significativamente en el rendimiento del producto. En este artículo, se realizan simulaciones de dinámica molecular de nanocorte en arseniuro de galio para investigar el mecanismo de deformación de la superficie y subsuperficie. Se encuentran dislocaciones en la subsuperficie mecanizada. La transformación de fase y la amorfización se estudian mediante números de coordinación. Los resultados revelan la existencia de una fase intermedia con número de coordinación cinco durante el proceso de corte. Se establecen modelos con diferentes velocidades de corte para investigar los efectos en la dislocación. El efecto de la anisotropía cristalina en el tipo y densidad de dislocación se estudia mediante modelos con diferentes orientaciones de corte. Además, también se analiza el estrés subsuperficial.

Introducción

El arseniuro de galio (GaAs) es un tipo típico de compuesto III-V y también uno de los materiales semiconductores más importantes. Favorecido por sus grandes propiedades como banda prohibida directa, alta movilidad de electrones y alta resistividad, el arseniuro de galio monocristalino encuentra amplias aplicaciones en diversas áreas como dispositivos ópticos infrarrojos y dispositivos de microondas. Con el desarrollo continuo de su producción, los estrictos requisitos de rugosidad superficial, precisión de forma superficial y daño subsuperficial son cada vez más demandados. La tecnología de nanocorte es beneficiosa para mejorar el rendimiento de elementos ópticos de arseniuro de galio y expandir el campo de sus aplicaciones. El proceso de nanocorte de cristal de arseniuro de galio se enfrenta a muchas dificultades como fractura frágil, anisotropía y otros daños subsuperficiales. Por tanto, el estudio sobre el mecanismo de nanocorte de arseniuro de galio es de gran importancia para resolver los problemas de mecanizado, mejorar la calidad superficial de arseniuro de galio y desarrollar tecnología de procesamiento nanométrico relacionada.

Muchos estudios realizaron experimentos a nanoescala en arseniuro de galio. Fang et al. [1] compararon las características de nanoindentación y nanorrayado de arseniuro de galio y silicio. Taylor et al. [2] investigaron nanoindentaciones de carga ultra-baja en arseniuro de galio (100) con punta de esquina cúbica. Bradby et al. [3] encontraron los eventos pop-in de arseniuro de galio en indentación esférica. Fang et al. [4, 5] investigaron las propiedades de mecanizado de semiconductores blandos y frágiles y obtuvieron superficie de espejo de arseniuro de galio por primera vez mediante torneado con diamante. Aunque se han reportado muchos estudios sobre indentación y propiedades físicas de arseniuro de galio, poco se sabe sobre su proceso de nanocorte y el mecanismo de formación de daño. Esto se debe principalmente a la gran dificultad para realizar los experimentos y las caracterizaciones posteriores. Por un lado, es casi imposible inspeccionar el proceso de nanocorte y medir datos nanométricos usando medición en línea debido a la escala nanométrica y la alta velocidad de corte. Por otro lado, es costoso realizar una serie de experimentos de mecanizado y medición nanométricos.

La simulación de dinámica molecular (DM) es uno de los métodos más eficientes para explorar el mecanismo de mecanizado nanométrico. Shimada et al. [6, 7] probaron que la simulación DM es una forma efectiva de describir el proceso de mecanizado nanométrico. Komanduri et al. [8] encontraron el fenómeno de transición estructural de silicio en el proceso de nanocorte con simulación DM. Pei et al. [9] estudiaron la formación de dislocaciones en cobre con modelos DM a gran escala de mecanizado nanométrico. Lai et al. [10] estudiaron los efectos del ángulo de ataque crítico y la deformación del material de germanio en corte nanométrico e investigaron además el proceso de nanocorte parcialmente solapado [11]. Además, el enfoque de modelado multiescala se ha desarrollado mucho en el área de mecanizado de ultraprecisión [12,13,14]. La simulación multiescala combina métodos de simulación en diferentes escalas, como modelo DM en nanoescala y modelo ME en nano/microescala [15], para estudiar el proceso de mecanizado de manera más completa y realista. En este artículo, el mecanismo de deformación subsuperficial del proceso de nanocorte es el foco, por lo que la simulación DM se selecciona como método de investigación.

En cuanto a los materiales estudiados, la mayoría de los estudios de simulación DM en mecanizado nanométrico se centran en semiconductores elementales como silicio y germanio o metales como cobre y aluminio. Pocos estudios se han reportado sobre el análisis numérico de nanocorte de arseniuro de galio. Fan et al. [16] investigaron la respuesta dúctil de arseniuro de galio por simulación DM y experimentos de torneado. Yi et al. [17] estudiaron la transformación de fase y anisotropía de arseniuro de galio en proceso de nanorrayado vía simulación DM. En este artículo, se realizan una serie de simulaciones DM tridimensionales para investigar la deformación dúctil en el proceso de nanocorte en arseniuro de galio monocristalino. El efecto de parámetros de corte como velocidad de corte y orientación de corte también se estudian sistemáticamente.

Métodos

Se establecen modelos de simulación DM para estudiar los comportamientos de deformación de cristal frágil de arseniuro de galio en proceso de nanocorte. El modelo de simulación DM tridimensional se muestra en Fig. 1. La pieza de trabajo se construye como arseniuro de galio monocristalino, cristalizando en la red zincblenda con átomos de Ga y As ocupando las dos subredes FCC. El tamaño de la pieza de trabajo es 85 nm × 30 nm × 35 nm. El modelo de pieza de trabajo consiste en tres capas: capa de frontera, capa termostática y capa newtoniana. La pieza de trabajo se fija por la capa de frontera, mientras que la capa termostática se establece a una temperatura constante de 293 K para imitar la disipación de calor en el proceso de mecanizado real. La capa newtoniana es el área de corte que revelará el mecanismo del proceso de nanocorte. Los movimientos de los átomos en la capa newtoniana obedecen la segunda ley clásica de Newton. Para imitar la herramienta de diamante en el proceso de corte real, se construye un modelo de herramienta de diamante hemisférico con radio de filo de 10 nm, y la profundidad de corte se establece en 4 nm. La herramienta de diamante se establece a ciertas velocidades para cortar la pieza de trabajo. Con la limitación de recursos computacionales, el modelo se minimiza y simplifica, pero sigue siendo convincente para explicar la deformación dúctil y formación de daño en escala nanométrica. La herramienta de diamante se simplifica como hemisferio para estudiar los comportamientos de remoción dúctil en dirección horizontal como flujo lateral y apilamiento en dos lados de la herramienta, que son características importantes de la simulación tridimensional. Para estudiar el efecto de los parámetros de proceso, se construyen modelos con diferentes velocidades y orientaciones de corte. La Tabla 1 lista los parámetros de los modelos.

El potencial es la base para calcular la fuerza y energía entre átomos, y también es uno de los ajustes más importantes en simulación DM. En el estudio previo, un sistema de potencial consistente en tres tipos de potencial se determinó para la simulación de arseniuro de galio y modelo de herramienta de diamante [18]. En este sistema, un potencial Tersoff-Brenner se usa para describir la interacción entre Ga y As, mostrando un buen efecto de simulación [19]. Un potencial repulsivo exponencial se establece para describir la interacción entre la herramienta de diamante y la pieza de trabajo de arseniuro de galio mediante un método químico cuántico, que está en forma de un potencial Born-Mayer simplificado [18]. Un potencial Tersoff-ZBL se usa en la herramienta de diamante. El sistema de potencial se resume en Fig. 2.

LAMMPS se usa para realizar la simulación DM, mientras que la visualización y análisis son vía OVITO, incluyendo análisis de dislocación (DXA), cálculo de estrés y análisis de coordinación. La relajación de la pieza de trabajo se establece como ensamble NPT para minimizar la energía del sistema y estabilizar la superficie libre, mientras que el proceso de nanocorte se establece como ensamble NVE. El paso de tiempo para la integración en la simulación es 1,0 fs.

Resultados y Discusión

Descripción general

Como se muestra en Fig. 3, la pieza de trabajo de arseniuro de galio se mecaniza a una distancia de corte de 60 nm con una velocidad de corte de 400 m/s a lo largo de la dirección [1̄00] en el plano (010). La pieza de trabajo se colorea con el desplazamiento del átomo en la dirección y. Se observa que los átomos frente a la herramienta fluyen hacia arriba, convirtiéndose en virutas por extrusión. Una cantidad de átomos fluyen hacia abajo y forman la superficie mecanizada. En ambos lados de la ranura mecanizada, los átomos se apilan con una altura de 2 nm debido a la extrusión y arado de la herramienta. El resultado revela que la deformación y remoción del cristal frágil de arseniuro de galio representa un comportamiento dúctil cuando el mecanizado es a escala nanométrica. Pocos clústeres de arsénico precipitando a la superficie mecanizada son evidentes en el proceso de simulación. Este estudio revela la presencia de precipitación de arsénico tras recocido [20]. El potencial Tersoff-Brenner fue capaz de simular la precipitación de clústeres de arsénico [19]. En el proceso de corte, el material de superficie se calienta con calor de corte y luego se recocina, formando clústeres de arsénico. Sin embargo, esta precipitación no es una preocupación principal en el proceso de nanocorte. Por tanto, estos átomos se ocultarán en el análisis posterior.

Compare la curva de fuerza de corte durante el proceso de mecanizado en Fig. 4. Inicialmente, la fuerza tangencial y normal aumentan con la herramienta cortando el material. La fuerza lateral fluctúa alrededor de 0 porque las fuerzas se cancelan en la dirección z. Cuando las fuerzas se estabilizan, la fuerza normal y tangencial fluctúan alrededor de 1700 nN y 700 nN, respectivamente. Se encuentra que la fuerza en la dirección y es dominante en el proceso de corte debido al gran ángulo de ataque negativo efectivo de la herramienta de diamante como se presenta en el modelo. El ángulo de ataque negativo trae un gran estrés compresivo, que causa una alta fuerza normal en el proceso de corte.

Dislocaciones y fallas de apilamiento

La formación de daño subsuperficial es una parte importante del estudio del mecanismo de nanocorte. Es necesario averiguar el mecanismo de formación de daño de arseniuro de galio durante el mecanizado para optimizar aún más los parámetros de procesamiento. Los cristales tienen anisotropía en la estructura atómica, y es uno de los problemas más serios en el proceso de mecanizado, que afectaría el rendimiento del proceso con diferentes orientaciones.

La distribución de dislocaciones en la subsuperficie mecanizada se muestra en Fig. 5, y el movimiento de la herramienta es a lo largo de la orientación de corte (010)[1̄00]. Las dislocaciones se observan alrededor de la ranura mecanizada formando una capa de dislocación de unos 8 nm. Dos tipos principales de dislocaciones están presentes en la subsuperficie mecanizada. Las dislocaciones 1/2[110] principalmente se deslizan en las dos paredes laterales de la ranura mecanizada, mientras que las dislocaciones 1/6[112] se distribuyen bajo el fondo de la ranura. Las dislocaciones 1/2[110] y 1/6[112] resultaron ser dislocaciones perfectas (líneas azules) y dislocaciones parciales (líneas verdes), respectivamente. La formación de dislocaciones significa los movimientos transitivos de los átomos locales, lo que implica que la deformación y remoción están en estado dúctil. Se prueba que el material frágil también muestra un estado dúctil a una escala lo suficientemente pequeña.

El estrés von Mises, que se calcula incluyendo los componentes de estrés de corte, se usa usualmente para determinar la formación de dislocación. La Figura 6 es la vista de sección transversal de la distribución de dislocación y estrés von Mises. El área de alto estrés se concentra bajo la herramienta debido a la extrusión. Cuando el estrés ejercido por la herramienta excede la resistencia al cedencia del material de la pieza de trabajo, el material se deslizará a lo largo de la superficie de deslizamiento, y el movimiento relativo del material de deslizamiento traerá dislocaciones. Por tanto, las dislocaciones nuclean y se extienden en el monocristal debido al alto estrés en el área de mecanizado. La energía local se liberará por el movimiento atómico.

Las dislocaciones en materiales frágiles y dúctiles son muy diferentes. El arseniuro de galio es un cristal frágil típico, y las dislocaciones se concentran cerca de la superficie mecanizada. Sin embargo, las dislocaciones en materiales dúctiles como el cobre se extenderán y deslizarán profundamente en la pieza de trabajo y formarán un clúster de dislocaciones de alta densidad durante el proceso de corte [21], como se muestra en Fig. 7a. Las dislocaciones resultan de la deformación dúctil de materiales. La extensión de clústeres de dislocación para materiales dúctiles conduce a una amplia gama de deformaciones dúctiles y un estrés difuso. Sin embargo, la localización de dislocaciones en materiales frágiles como el arseniuro de galio indica que la deformación dúctil solo ocurre cerca de la superficie sin una liberación completa de estrés. Cuando el estrés se concentra a un valor umbral, otros tipos de daño, como transformaciones de fase o grietas, pueden aparecer. En nuestro estudio previo [18], se estudió la formación de grietas de arseniuro de galio, y se encontró que el modo de remoción cambiará de modo dúctil con formación de dislocaciones a modo frágil con grietas cuando la velocidad de corte aumenta. La formación de dislocación liberará el estrés que puede causar iniciación de grietas, y el modo de deformación tenderá a dúctil en lugar de frágil en esta instancia.

La Figura 8 revela las fallas de apilamiento encontradas en la subsuperficie mecanizada. Los átomos en la pieza de trabajo se colorean basándose en el número de coordinación. Para inspección conveniente, los átomos de cuatro coordinaciones con estructura zincblenda original se ocultan. Se puede observar que existen átomos de tres coordinaciones colocados periódicamente en la subsuperficie mecanizada. Combinado con las dislocaciones parciales encontradas bajo el fondo de la ranura, las dislocaciones parciales que son principalmente emitidas desde los bordes de grano o superficies libres pueden causar la formación de fallas de apilamiento o gemelación [22, 23]. Las fallas de apilamiento en el modelo no son planos atómicos completamente dislocados sino varias áreas pequeñas en el borde de monocristal y capa amorfa, por tanto las dislocaciones parciales existen en los bordes de las fallas de apilamiento. También se puede inferir que puede haber fallas de apilamiento en la subsuperficie mecanizada real.

Transformación de fase y amorfización

La estructura de red del material puede cambiar debido al alto estrés durante el nanocorte. Al estudiar el proceso de transformación de fase, se puede lograr una mejor comprensión del corte de arseniuro de galio, lo cual es útil para optimizar los parámetros de proceso o en el diseño de experimentos de pretratamiento antes del nanocorte.

El arseniuro de galio monocristalino tiene una estructura zincblenda bajo presión y temperatura normales. Sin embargo, la estructura cambia a GaAs-II de seis coordinaciones cuando el estrés compresivo alcanza 17 GPa [24]. La transformación de fase termina con una estructura wurtzita cuando el estrés aumenta más allá de 60 GPa [25].

La Figura 9a presenta el cambio estructural en el modelo con velocidad de corte de 400 m/s en la orientación (010)[1̄00]. Se observa una capa del área mecanizada que exhibe una estructura amorfa con un grosor de unos 6 nm sin la estructura característica del cristal.

Es obvio que algunos átomos bajo la posición de mecanizado cambian a una estructura de cinco coordinaciones. Similar a la estructura bct-5 de cristal de silicio que se forma con estrés compresivo, esta estructura de cinco coordinaciones se considera un intermediario en la formación de GaAs-II de seis coordinaciones. El estrés hidrostático aumenta y causa la distorsión de la red con el corte de la herramienta. Sin embargo, como se muestra en la distribución de estrés hidrostático de Fig. 9b, el estrés hidrostático máximo es 17 GPa, que justo alcanza el valor crítico de transformación de GaAs-I a GaAs-II. El área subsuperficial donde el estrés hidrostático es mayor a 17 GPa es muy pequeña, y la mayor parte del área de la pieza de trabajo tiene un estrés hidrostático por debajo del umbral de transición. Como resultado, es difícil encontrar grandes piezas de átomos con estructura de seis coordinaciones y la estructura de cinco coordinaciones es una fase intermedia de GaAs-I a GaAs-II.

La Figura 10 representa las curvas de función de distribución radial de un área seleccionada en el proceso de corte, que es el área debajo de la herramienta de diamante. Las curvas de distribución radial antes, durante y después del procesamiento se calculan. La pieza de trabajo tiene una estructura zincblenda ordenada al principio, cuya curva consiste en picos regulares. Cuando la herramienta de diamante alcanza el área seleccionada, la función de distribución radial muestra un estado desordenado tanto en rango corto como largo. Esto implica la presencia de una fuerte amorfización con el arreglo desordenado de átomos en el área. Sin embargo, la curva de la subsuperficie mecanizada implica que la estructura puede recuperarse y volverse ordenada en rango corto y desordenada en rango largo. Con la liberación de estrés, el material cambiará la estructura a una con estado de energía mínima. Los átomos con una fase intermedia pueden cambiar a amorfa u otro estado. Así, la curva muestra un estado mecanizado estable con arseniuro de galio amorfo. Se puede encontrar que hay un pico lateral a 3,3 Å en el proceso de mecanizado, y el pico desaparece cuando la herramienta se va. Este fenómeno revela la formación y desaparición de la fase intermedia, que puede considerarse como la deformación elástica en el proceso de corte. Sin la fuerza de la herramienta, parte de los átomos se recuperará a la estructura zincblenda, y los otros cambiarán a otra fase estable o estado amorfo, que representa la deformación dúctil permanente.

Efectos de la velocidad y orientación de corte en la deformación subsuperficial

La formación de daño superficie/subsuperficie es influenciada por muchos factores, y diferentes parámetros de corte afectarán la formación de la dislocación.

Las distribuciones de dislocaciones con diferentes velocidades de corte se comparan en Fig. 11a-c. La densidad de dislocación disminuye gradualmente a medida que aumenta la velocidad de corte. La subsuperficie mecanizada está ricamente provista de dislocaciones, especialmente cuando la velocidad de corte baja a 200 m/s. Cuando el proceso de corte está bajo una alta tasa de deformación, hay tiempo insuficiente para la nucleación y propagación de dislocaciones. Como resultado, hay menos dislocaciones, y la deformación dúctil inducida por dislocaciones también es menos dominante. El material se deformará y desorganizará rápidamente, y el tiempo de recuperación también es corto, y los átomos amorfos con estructura no regular serán más fáciles de formar. Por tanto, una mayor velocidad de corte es una forma de restringir la formación de dislocaciones. La Figura 11d-f son las vistas de sección transversal de la distribución de estrés von Mises en los tres modelos correspondientes. A mayor velocidad de corte, el estrés del material cerca de la herramienta es relativamente mayor debido a la gran energía de corte. Comparando los tres modelos, el modelo de 800 m/s tiene una mayor concentración de estrés frente a la herramienta, y la subsuperficie mecanizada presenta una región de estrés más continua con valores más altos. Por el contrario, el estrés se libera debido a la formación de dislocaciones en los modelos de baja velocidad. La deformación dúctil inducida por las dislocaciones liberará la energía de deformación local y el estrés causado por la flexión y deformación elástica de la red. Por tanto, en la pieza de trabajo con mayor velocidad de corte, el estado de estrés puede ser severo debido a la falta de dislocaciones, facilitando la formación de grietas en el proceso de corte.

La anisotropía es un problema serio en el proceso de nanocorte del cristal [26, 27], incluyendo el arseniuro de galio monocristalino. Debido a su estructura monocristalina, el cristal de arseniuro de galio muestra propiedades distintas en diferentes orientaciones cristalinas. Se construyen tres modelos con diferentes planos y orientaciones de corte para estudiar la anisotropía. Las orientaciones de corte son (010)[1̄00], (1̄10)[1̄1̄0] y (2̄11)[1̄1̄1̄]. La Figura 12a-f reflejan las grandes diferencias que existen entre las distribuciones de dislocaciones. Como se mencionó arriba, existen dos tipos de dislocaciones en el modelo (010)[1̄00]. Cuando la dirección de corte es a lo largo de la dirección (1̄10)[1̄1̄0], la mayoría de las dislocaciones están en el fondo de la ranura mecanizada, mientras que algunas dislocaciones agrupadas se extienden a la superficie frente a la herramienta. Pocas dislocaciones se encuentran en ambos lados de la pared lateral en Fig. 12b. En la orientación de corte (2̄11)[1̄1̄1̄], se observan dislocaciones tipo árbol que se extienden desde el medio a ambos lados, cubriendo la subsuperficie mecanizada como se revela en Fig. 12c. Sin embargo, a diferencia del primer modelo, hay pocas dislocaciones parciales en los modelos (1̄10)[1̄1̄0] y (2̄11)[1̄1̄1̄], y la mayoría de las dislocaciones son dislocaciones perfectas a lo largo de la orientación [110]. Similarmente, no se encuentran fallas de apilamiento en el área mecanizada de los modelos (1̄10)[1̄1̄0] y (2̄11)[1̄1̄1̄], correspondiendo a la falta de dislocaciones parciales. Esto también prueba el efecto de la anisotropía en el material.

La Figura 13a-f comparan la distribución de dislocaciones y distribución de estrés von Mises de los tres modelos con diferentes orientaciones de corte. La orientación cristalina tiene un efecto obvio en la propagación del estrés. En los modelos (010)[1̄00] y (2̄11)[1̄1̄1̄], el estrés se concentra frente a la herramienta de diamante, pero las direcciones de extensión son diferentes. Sin embargo, el área de estrés concentrado del modelo (1̄10)[1̄1̄0] es más ancha, y la región de alto estrés frente a la herramienta se extiende a la superficie. Debido a la diferencia en orientaciones cristalinas, los componentes de estrés a lo largo de la dirección de deslizamiento serán diferentes, resultando en diferentes apariencias de dislocaciones. Cuando el ángulo de la dirección de estrés y superficie de deslizamiento es pequeño, el deslizamiento es más probable que aparezca y el material se deformará en modo dúctil. Por el contrario, la grieta y fractura frágil tiende a iniciarse cuando la relación del estrés tensil perpendicular al plano de clivaje al estrés de corte a lo largo del plano de deslizamiento aumenta.

Comparando las distribuciones de estrés y dislocaciones, los modelos con mayor densidad de dislocaciones pueden tener menor estrés en la subsuperficie mecanizada. La Figura 13e muestra una capa de daño amorfo más gruesa en la subsuperficie del modelo (1̄10)[1̄1̄0], que corresponde a las regiones densas de dislocaciones en los otros modelos. Este fenómeno muestra que la anisotropía puede tener un efecto en los tipos de daño. En el modelo (1̄10)[1̄1̄0], el estrés concentrado es difícil de liberar debido a la menor formación de dislocaciones. Como resultado, el arreglo de átomos se perturba bajo un estado de estrés severo. El rango de estrés es mayor en la subsuperficie mecanizada y el estrés residual es más alto. Por el contrario, el modelo (2̄11)[1̄1̄1̄] tiene una capa de estrés más delgada en la subsuperficie mecanizada debido a la mayor densidad de dislocaciones. La formación de dislocación libera parte del estrés durante el proceso de corte. En el estudio previo [18], cuando el modo de daño dúctil cambia de dislocación a amorfización, la subsuperficie mecanizada exhibe un estado de estrés severo y daño amorfo. Las grietas subsuperficiales son más fáciles de formarse en el borde del amorfo y monocristal. Se puede inferir que las grietas son más probables cuando la orientación de corte es a lo largo de la dirección (1̄10)[1̄1̄0]. La formación de dislocación puede reducir la formación de daño frágil. Además del mecanismo de clivaje, también es una razón por la que la formación de grietas es afectada por la anisotropía.

En el proceso de corte, el material cerca de la herramienta de corte recibe alto estrés y compresión severa, lo que causará cambios estructurales del material como transformación de fase y amorfización. Bajo la capa amorfa, el deslizamiento ocurrirá en un área mayor y las dislocaciones se formarán en el monocristal debido a los efectos de estrés generalizados. Estos son las principales deformaciones dúctiles en el nanocorte de arseniuro de galio. Diferentes condiciones de corte afectarán el estado de estrés local y la facilidad de formación de dislocaciones. Cuando las dislocaciones son difíciles de generar debido a la alta velocidad de procesamiento o anisotropía, el modo de deformación dúctil tenderá a ser dominado por amorfización debido a la amorfización causada por estrés no liberado. La grieta también será fácil de formarse en esta situación. Por el contrario, las dislocaciones serán el componente principal de la deformación dúctil si las condiciones son adecuadas para el deslizamiento del material.

Conclusiones

La simulación DM se usa para estudiar el mecanismo de formación de daño en el proceso de nanocorte de cristal de arseniuro de galio. El movimiento atómico y la fuerza de corte del proceso también se analizan. La dislocación, falla de apilamiento y transformación de fase se estudian principalmente como daños superficie/subsuperficie. Las conclusiones se pueden resumir como sigue:

1. En el nanocorte de arseniuro de galio, la dislocación y transformación estructural se encuentran como los principales mecanismos de deformación en la subsuperficie mecanizada.

2. Dislocaciones y fallas de apilamiento se observan en la ranura mecanizada, y las formaciones de fallas de apilamiento y dislocaciones parciales son consistentes.

3. Una fase intermedia con cinco coordinaciones se encuentra frente a la herramienta porque el estrés hidrostático está cerca pero no supera el umbral de transición (17 GPa). Una capa amorfa se forma en la subsuperficie mecanizada.

4. Con el aumento de la velocidad de corte, la densidad de dislocación disminuye debido a la alta tasa de deformación. La anisotropía tiene un gran efecto en el tipo y densidad de dislocación. Las dislocaciones parciales son más fáciles de formar en el modelo (010)[1̄00]. Además, el modelo (1̄10)[1̄1̄0] tiene una menor densidad de dislocación y una amorfización más severa.

Disponibilidad de Datos y Materiales

Los conjuntos de datos generados o analizados durante el estudio actual no están disponibles públicamente debido a que los datos también forman parte de un estudio en curso, pero están disponibles del autor correspondiente bajo solicitud razonable.

Abreviaturas

MD:

Dinámica molecular

GaAs:

Arseniuro de galio

FE:

Elemento finito

FCC:

Cúbico centrado en caras

Tersoff-ZBL:

Tersoff-Ziegler-Biersack-Littmark

LAMMPS:

Simulador paralelo masivo atómico/molecular a gran escala

OVITO:

Herramienta de visualización abierta

NPT:

Número-presión-temperatura, ensamble isotérmico-isobárico

NVE:

Número-volumen-energía, ensamble microcanónico