Механизм подповерхностной деформации при наноразрезании арсенида галлия: инсайты из молекулярно-динамического моделирования

Сравните кривую режущей силы в процессе обработки на Рис. 4. Изначально касательная сила и нормальная сила растут с врезанием инструмента в материал. Боковая сила флуктуирует вокруг 0, потому что силы компенсируют друг друга в направлении z. Когда силы стабилизируются, нормальная сила и касательная сила флуктуируют вокруг 1700 нН и 700 нН соответственно. Обнаружено, что сила в направлении y доминирует в процессе резания из-за большого эффективного отрицательного угла заточки алмазного инструмента, представленного в модели. Отрицательный угол заточки приносит большое компрессивное напряжение, что вызывает высокую нормальную силу в процессе резания.

Дислокации и стэкинг-фолты

Формирование подповерхностных повреждений является важной частью изучения механизма наноразрезания. Необходимо выяснить механизм формирования повреждений арсенида галлия при обработке для дальнейшей оптимизации параметров обработки. Кристаллы имеют анизотропию на атомной структуре, и это одна из самых серьезных проблем в процессе обработки, которая влияет на производительность процесса с разными ориентациями.

Распределение дислокаций в механически обработанной подповерхности показано на Рис. 5, а движение инструмента происходит вдоль ориентации резания (010) [\(\overline{1}\)00]. Дислокации наблюдаются вокруг механически обработанной желобки, формируя слой дислокаций толщиной около 8 нм. В механически обработанной подповерхности присутствуют два основных типа дислокаций. Дислокации 1/2[110] בעיקר скользят по двум боковым стенкам механически обработанной желобки, в то время как дислокации 1/6[112] распределяются под дном желобки. Дислокации 1/2[110] и 1/6[112] оказались идеальными дислокациями (синие линии) и частичными дислокациями (зеленые линии) соответственно. Формирование дислокаций означает транзитивные движения локальных атомов, что подразумевает, что деформация и удаление находятся в дуктилом состоянии. Доказано, что хрупкий материал также показывает дуктиловое состояние при достаточно малом масштабе.

Фон Мизеса напряжение, которое рассчитывается с учетом компонентов сдвигающих напряжений, обычно используется для определения формирования дислокаций. Рис. 6 — это поперечный вид распределения дислокаций и распределения напряжения фон Мизеса. Область высокого напряжения сконцентрирована под инструментом из-за экструзии. Когда напряжение, оказываемое инструментом, превышает предел текучести материала рабочего тела, материал будет скользить вдоль плоскости скольжения, и относительное движение скользящего материала приведет к дислокациям. Следовательно, дислокации нуклеируют и расширяются в монокристалл из-за высокого напряжения в зоне обработки. Локальная энергия будет высвобождена атомными движениями.

Дислокации в хрупких и дуктиловых материалах сильно отличаются. Арсенид галлия — типичный хрупкий кристалл, и дислокации сконцентрированы рядом с механически обработанной поверхностью. Однако дислокации в дуктиловых материалах, таких как медь, будут расширяться и скользить глубоко в рабочее тело и формировать кластер дислокаций высокой плотности в процессе резания [21], как показано на Рис. 7a. Дислокации результатом дуктилой деформации материалов. Расширение кластеров дислокаций для дуктиловых материалов приводит к широкому диапазону дуктиловых деформаций и диффузному напряжению. Однако локализация дислокаций в хрупких материалах, таких как арсенид галлия, указывает на то, что дуктиловая деформация происходит только близко к поверхности без полного освобождения напряжения. Когда напряжение сконцентрировано до порогового значения, могут появиться другие виды повреждений, такие как фазовые превращения или трещины. В нашем предыдущем исследовании [18] изучалось формирование трещин арсенида галлия, и обнаружилось, что режим удаления изменится от дуктилового режима с формированием дислокаций к хрупкому режиму с трещинами при увеличении скорости резания. Формирование дислокаций высвободит напряжение, которое может вызвать инициацию трещин, и режим деформации будет стремиться к дуктилому вместо хрупкого в этом случае.

Рис. 8 раскрывает стэкинг-фолты, найденные в механически обработанной подповерхности. Атомы в рабочем теле окрашены на основе координационного числа. Для удобства инспекции четырехкоординированные атомы с исходной цинкблендовой структурой скрыты. Можно наблюдать, что существуют трехкоординированные атомы, расположенные периодически в механически обработанной подповерхности. В сочетании с частичными дислокациями, найденными под дном желобки, частичные дислокации, которые преимущественно испускаются из границ зерен или свободных поверхностей, могут вызывать формирование стэкинг-фолтов или твиннинга [22, 23]. Стэкинг-фолты в модели не являются полностью дислоцированными атомными плоскостями, а несколькими небольшими областями на границе монокристалла и аморфного слоя, поэтому частичные дислокации существуют на границах стэкинг-фолтов. Также можно заключить, что в реальной механически обработанной подповерхности могут быть стэкинг-фолты.

Фазовые превращения и аморфизация

Решетчатая структура материала может измениться из-за высокого напряжения во время наноразрезания. Изучая процесс фазового превращения, можно достичь лучшего понимания резания арсенида галлия, что полезно для оптимизации параметров процесса или проектирования предварительного эксперимента перед наноразрезанием.

Монокристаллический арсенид галлия имеет цинкблендовую структуру при нормальном давлении и температуре. Однако структура меняется в шестикоординированный GaAs-II, когда компрессивное напряжение достигает 17 ГПа [24]. Фазовое превращение заканчивается вирцуитовой структурой, когда напряжение увеличивается выше 60 ГПа [25].

Рис. 9a представляет структурное изменение в модели со скоростью резания 400 м/с при ориентации (010)[\(\overline{1}\)00]. Слой механически обработанной области наблюдается с аморфной структурой толщиной около 6 нм без характерной структуры кристалла.

Очевидно, что некоторые атомы под позицией обработки превращаются в пятикоординированную структуру. Аналогично bct-5 структуре кремниевого кристалла, формирующейся под компрессивным напряжением, эта пятикоординированная структура рассматривается как промежуточная в формировании шестикоординированного GaAs-II. Гидростатическое напряжение увеличивается и вызывает искажение решетки при резании инструментом. Однако, как показано в распределении гидростатического напряжения на Рис. 9b, максимальное гидростатическое напряжение составляет 17 ГПа, что именно достигает критического значения перехода от GaAs-I к GaAs-II. Подповерхностная область, где гидростатическое напряжение выше 17 ГПа, очень мала, и большая часть площади рабочего тела имеет гидростатическое напряжение ниже порога перехода. В результате трудно найти большие участки атомов с шестикоординированной структурой, и пятикоординированная структура является промежуточной фазой от GaAs-I к GaAs-II.

Рис. 10 изображает кривые радиальной функции распределения выбранной области в процессе резания, которая является областью под алмазным инструментом. Кривые радиальной функции распределения до, во время и после обработки рассчитываются. Рабочее тело имеет упорядоченную цинкблендовую структуру в начале, кривая которой состоит из регулярных пиков. Когда алмазный инструмент достигает выбранной области, радиальная функция распределения показывает дезорганизованное состояние как в коротком, так и в длинном диапазоне. Это подразумевает присутствие сильной аморфизации с дезорганизованным расположением атомов в области. Однако кривая механически обработанной подповерхности подразумевает, что структура может восстановиться и стать упорядоченной в коротком диапазоне и дезорганизованной в длинном диапазоне. С высвобождением напряжения материал изменит структуру на состояние с минимальной энергией. Атомы с промежуточной фазой могут измениться на аморфную или другую стабильную фазу. Таким образом, кривая показывает стабильное механически обработанное состояние с аморфным арсенидом галлия. Можно обнаружить, что есть боковой пик на 3,3 Å в процессе обработки, и пик исчезает, когда инструмент уходит. Этот феномен раскрывает формирование и исчезновение промежуточной фазы, которую можно рассматривать как упругую деформацию в процессе резания. Без силы инструмента часть атомов восстановится в цинкблендовую структуру, а другие изменятся в другую стабильную фазу или аморфное состояние, что представляет постоянную дуктиловою деформацию.

Влияние скорости резания и ориентации на подповерхностную деформацию

Формирование поверхностных/подповерхностных повреждений влияет на множество факторов, и разные параметры резания будут влиять на формирование дислокаций.

Распределения дислокаций с разными скоростями резания сравниваются на Рис. 11a–c. Плотность дислокаций постепенно снижается по мере увеличения скорости резания. Механически обработанная подповерхность богато снабжена дислокациями, особенно когда скорость резания снижается до 200 м/с. Когда процесс резания находится под высокой скоростью деформации, недостаточно времени для нуклеации и распространения дислокаций. В результате меньше дислокаций, и дуктиловая деформация, индуцируемая дислокациями, также менее доминирует. Материал будет деформироваться и дезорганизовываться быстро, и время восстановления также короткое, и аморфные атомы с нерегулярной структурой будут легче формироваться. Следовательно, более высокая скорость резания — это способ сдерживания формирования дислокаций. Рис. 11d–f — поперечные виды распределения напряжения фон Мизеса в трех соответствующих моделях. При более высокой скорости резания напряжение материала рядом с инструментом относительно выше из-за большой энергии резания. Сравнивая три модели, модель 800 м/с имеет более высокую концентрацию напряжения перед инструментом, и механически обработанная подповерхность представляет более непрерывную область напряжения с более высокими значениями. Напротив, напряжение высвобождается из-за формирования дислокаций в моделях низкой скорости. Дуктиловая деформация, индуцируемая дислокациями, высвободит локальную деформационную энергию и напряжение, вызванное изгибом и упругой деформацией решетки. Следовательно, в рабочем теле с более высокой скоростью резания состояние напряжения может быть серьезным из-за отсутствия дислокаций, что делает легче формирование трещин в процессе резания.

Анизотропия — серьезная проблема в процессе наноразрезания кристалла [26, 27], включая монокристаллический арсенид галлия. Из-за своей монокристаллической структуры кристалл арсенида галлия показывает отличные свойства в разных кристаллических ориентациях. Три модели с разными плоскостями и ориентациями резания построены для изучения анизотропии. Ориентации резания: (010)[\(\overline{1}\)00], (\(\overline{1}\)10)[\(\overline{1}\)\(\overline{1}\)0] и \((\overline{2}11)\,[\overline{1}\overline{1}\overline{1}]\). Рис. 12a–f отражают большие различия, существующие среди распределений дислокаций. Как указано выше, в модели (010)[\(\overline{1}\)00] существуют два типа дислокаций. Когда направление резания вдоль \((\overline{1}10)\,[\overline{1}\overline{1}0]\), большинство дислокаций находятся на дне механически обработанной желобки, в то время как некоторые кластеризованные дислокации расширяются к поверхности перед инструментом. Мало дислокаций найдено на обоих боковых стенках на Рис. 12b. При ориентации резания \((\overline{2}11)\,[\overline{1}\overline{1}\overline{1}]\), древесные дислокации, расширяющиеся от середины к обеим сторонам, наблюдаются, покрывающие механически обработанную подповерхность, как раскрыто на Рис. 12c. Однако, в отличие от первой модели, в моделях \((\overline{1}10)\,[\overline{1}\overline{1}0]\) и \((\overline{2}11)\,[\overline{1}\overline{1}\overline{1}]\) мало частичных дислокаций, и большинство дислокаций — идеальные дислокации вдоль ориентации [110]. Аналогично, стэкинг-фолты не найдены в механически обработанной области моделей \((\overline{1}10)\,[\overline{1}\overline{1}0]\) и \((\overline{2}11)\,[\overline{1}\overline{1}\overline{1}]\), соответствующее отсутствию частичных дислокаций. Это также доказывает эффект анизотропии в материале.

Рис. 13a–f сравнивают распределение дислокаций и распределение напряжения фон Мизеса трех моделей с разными ориентациями резания. Кристаллическая ориентация имеет очевидный эффект на распространение напряжения. В моделях (010)[\(\overline{1}\)00] и \((\overline{2}11)\,[\overline{1}\overline{1}\overline{1}]\) напряжение сконцентрировано перед алмазным инструментом, но направления расширения разные. Однако область сконцентрированного напряжения модели \((\overline{1}10)\,[\overline{1}\overline{1}0]\) шире, и регион высокого напряжения перед инструментом расширяется к поверхности. Из-за разницы в кристаллических ориентациях компоненты напряжения вдоль направления скольжения будут разными, что приводит к разному появлению дислокаций. Когда угол направления напряжения и плоскости скольжения мал, скольжение более вероятно появится и материал будет деформироваться в дуктилом режиме. Напротив, трещина и хрупкое разрушение склонны к инициации, когда отношение нормального напряжения, перпендикулярного к плоскости расщепления, к сдвигающему напряжению вдоль плоскости скольжения увеличивается.

Сравнивая распределения напряжений и дислокаций, модели с более высокой плотностью дислокаций могут иметь более низкое напряжение в механически обработанной подповерхности. Рис. 13e показывает более толстый аморфный повреждающий слой в подповерхности модели \((\overline{1}10)\,[\overline{1}\overline{1}0]\), который соответствует плотным регионам дислокаций в других моделях. Этот феномен показывает, что анизотропия может влиять на типы повреждений. В модели \((\overline{1}10)\,[\overline{1}\overline{1}0]\) сконцентрированное напряжение трудно высвободить из-за меньшего формирования дислокаций. В результате расположение атомов нарушается под серьезным состоянием напряжения. Диапазон напряжения больше в механически обработанной подповерхности и остаточное напряжение выше. Напротив, модель \((\overline{2}11)\,[\overline{1}\overline{1}\overline{1}]\) имеет более тонкий напряженный слой в механически обработанной подповерхности из-за более высокой плотности дислокаций. Формирование дислокаций высвобождает часть напряжения в процессе резания. В предыдущем исследовании [18], когда дуктиловый режим повреждения переходит от дислокаций к аморфизации, механически обработанная подповерхность демонстрирует серьезное состояние напряжения и аморфное повреждение. Подповерхностные трещины легче формируются на границе аморфного и монокристалла. Можно сделать вывод, что трещины более вероятно возникнут, когда ориентация резания вдоль направления \((\overline{1}10)\,[\overline{1}\overline{1}0]\). Формирование дислокаций может снизить формирование хрупких повреждений. Помимо механизма расщепления, это также причина, почему формирование трещин влияет анизотропия.

В процессе резания материал рядом с режущим инструментом получает высокое напряжение и серьезное сжатие, что вызывает структурные изменения материала, такие как фазовые превращения и аморфизация. Под аморфным слоем скольжение произойдет в более крупной области и дислокации сформируются в монокристалле из-за широко распространенных эффектов напряжения. Это основные дуктиловые деформации в наноразрезании арсенида галлия. Разные условия резания будут влиять на локальное состояние напряжения и легкость формирования дислокаций. Когда дислокации трудно генерируются из-за высокой скорости обработки или анизотропии, режим дуктилой деформации будет стремиться к аморфному доминированию из-за аморфизации, вызванной невысвобожденным напряжением. Трещина также легко сформируется в этой ситуации. Напротив, дислокации будут основным компонентом дуктилой деформации, если условия подходят для скольжения материала.

Заключение

МД моделирование используется для изучения механизма формирования повреждений в процессе наноразрезания кристалла арсенида галлия. Атомные движения и режущая сила процесса также анализируются. Дислокации, стэкинг-фолты и фазовые превращения изучаются в основном как поверхностные/подповерхностные повреждения. Выводы можно резюмировать следующим образом:

1. В наноразрезании арсенида галлия дислокации и структурные превращения найдены как основные механизмы деформации в механически обработанной подповерхности.

2. Дислокации и стэкинг-фолты наблюдаются в механически обработанной подповерхностной желобке, и формирование стэкинг-фолтов и частичных дислокаций согласовано.

3. Промежуточная фаза с пятикоординированностью найдена перед инструментом, потому что гидростатическое напряжение близко к, но не выше порога перехода (17 ГПа). Аморфный слой формируется в механически обработанной подповерхности.

4. С увеличением скорости резания плотность дислокаций снижается из-за высокой скорости деформации. Анизотропия оказывает большое влияние на тип и плотность дислокаций. Частичные дислокации легче формируются в модели (010) [\(\overline{1}\)00]. Более того, модель \((\overline{1}10)\,[\overline{1}\overline{1}0]\) имеет более низкую плотность дислокаций и более серьезную аморфизацию.

Доступность данных и материалов

Наборы данных, сгенерированные или проанализированные в ходе текущего исследования, не публично доступны, так как данные также составляют часть текущего исследования, но доступны у соответствующего автора по разумному запросу.

Аббревиатуры

МД:

Молекулярная динамика

GaAs:

Арсенид галлия

FE:

Конечные элементы

FCC:

Гранецентрированный кубический

Tersoff-ZBL:

Терсофф-Циглер-Бирсак-Литтмарк

LAMMPS:

Большая масштабная атомная/молекулярная массово-параллельная симулятор

OVITO:

Инструмент открытой визуализации

NPT:

Число-давление-температура, изотермально-изобарический ансамбль

NVE:

Число-объем-энергия, микроканонический ансамбль