Technologie der einzelatomaren Schichtabtragung von Einkristallkupfer: Einfluss des Werkzeugradius

Zusammenfassung

Das ultimative Ziel der mechanischen Bearbeitung ist die Reduzierung der minimalen Spandicke auf eine einzelne Atomlage. In dieser Studie wird der abtragsbasierte Einzelatomlagen-Entfernungsmechanismus an Einkristallkupfer durch eine Reihe von Molekulardynamik-Analysen untersucht. Die Forschungsergebnisse berichten, dass bei Abnahme der Schnitttiefe auf atomare Skala die minimale Spandicke durch mechanische Bearbeitung mit abgerundetem Werkzeug auf eine einzelne Atomlage reduziert werden kann. Das Materialabtragsverhalten während der abtragsbasierten Einzelatomlagen-Entfernung weist vier Charakteristika auf: Spanbildung durch schubspannungsgetriebene Versetzungsbewegung, elastische Verformung auf der bearbeiteten Oberfläche, atomarer Größeneffekt und Werkzeugradius-Effekt. Basierend auf diesem Verständnis wird ein neues Bearbeitungsmodell vorgeschlagen, um das Materialabtragsverhalten im abtragsbasierten Einzelatomlagen-Entfernungsprozess zu untersuchen, welches sich signifikant von denen für Nanobearbeitung und konventionelle Bearbeitung unterscheidet. Die Ergebnisse liefern theoretische Unterstützung für die Forschung und Entwicklung der atomaren und nahe-atomaren Fertigungstechnologie.

Einleitung

Mechanische Bearbeitung als eines der wichtigsten subtraktiven Fertigungsverfahren wurde angewendet, um Teile mit hoher Oberflächenqualität herzustellen [1, 2]. Eine große Anzahl theoretischer und experimenteller Studien wurde durchgeführt, um den zugrundeliegenden Materialabtragsmechanismus im Nanomaßstab zu klären und die grundlegende Nanobearbeitungstheorie zu etablieren und anzureichern [3,4,5,6]. Die Forschungsergebnisse tragen erheblich zur Anwendung der nanometrischen Bearbeitung in Wissenschaft und Industrie bei, ermöglichen die Herstellung hochleistungsfähiger Teile mit komplexer Form und nanometrischer Oberflächenqualität [7, 8]. Es gibt jedoch noch keinen Bericht über den Mechanismus des Materialabtrags bei atomarer und nahe-atomarer Bearbeitung (ACS), was den Fortschritt der Entwicklung der nächsten Fertigungsgeneration – der atomaren und nahe-atomaren Fertigung (ACSM), also Manufacturing III [9] – ernsthaft einschränkt. Zudem betont die fortschreitende Entwicklung atomarer Bauelemente die Nachfrage nach verschiedenen Bearbeitungsprozessen zur Erreichung von ACSM [10].

In der konventionellen makroskopischen Bearbeitung ist die Schnitttiefe signifikant größer als der Werkzeugradius, wobei der Materialabtrag durch materialschergestützte Spanbildung realisiert wird [11,12,13]. In der Mikro-/Nanobearbeitung, da die Schnitttiefe vergleichbar oder niedriger als der Werkzeugradius ist, wird die Spanbildung durch Extrusion mit abnehmender Schnitttiefe bis in den Nanobereich allmählich dominant, was stark vom Werkzeugradius-Effekt beeinflusst wird [14,15,16,17,18,19]. In der ACS-Bearbeitung wird die Schnitttiefe weiter auf nahe-atomare Skala und sogar atomare Skala verringert, was weit unter dem Werkzeugradius liegt; der Werkzeugradius-Effekt würde unvermeidlich das Materialabtragsverhalten beeinflussen.

Zudem unterscheidet sich ACS-Bearbeitung von konventioneller und Mikro-/Nanobearbeitung darin, dass die Schnitttiefe nicht nur signifikant niedriger als der Werkzeugradius ist, sondern auch vergleichbar oder sogar niedriger als der Radius der Werkstückatome. Das praktische Materialabtragsverhalten würde sich bei unterschiedlichen Verhältnissen von Schnitttiefe zu Werkstückatomradius ändern, was als ein neuer Größeneffekt erkannt wird, nämlich der atomare Größeneffekt [20]. Daher sollten in der ACS-Bearbeitung sowohl Werkzeugradius-Effekt als auch Atomgrößeneffekt berücksichtigt werden. Es gibt jedoch keinen Bericht über diese kritisch wichtige Fragestellung in der Erforschung der ACS-Bearbeitungstechnologie.

Aus diesen Gründen werden in der vorliegenden Studie der atomare Größeneffekt und der Werkzeugradius-Effekt auf den abtragsbasierten Einzelatomlagen-Entfernungsmechanismus mittels Molekulardynamik-Modellierung (MD) untersucht.

Dieser Artikel ist in folgende Abschnitte strukturiert. Abschnitt 2 führt die Methodik ein, einschließlich Modellierung und Protokoll, geeignete Potenzialfunktionen. Abschnitt 3 präsentiert die Analyseergebnisse und relevante Diskussionen. Abschnitt 4 diskutiert den detaillierten abtragsbasierten Einzelatomlagen-Entfernungsmechanismus unter dem gekoppelten Einfluss von Werkzeugradius-Effekt und atomarem Größeneffekt. Die Studienergebnisse werden in Abschnitt 5 zusammengefasst.

Methodik

Simulationsmodell und Protokoll

Da die Schnitttiefe auf atomare oder nahe-atomare Skala abnimmt, ist es in der Praxis äußerst herausfordernd, den Materialabtragsprozess experimentell zu beobachten. In dieser Studie wird eine Reihe von MD-Simulationen durchgeführt, um den abtragsbasierten Einzelatomlagen-Entfernungsmechanismus zu analysieren, wobei der Fokus auf dem Werkstück-atomaren Größeneffekt und dem Werkzeugradius-Effekt liegt.

Abb. 1 zeigt Schnappschüsse der atomaren Konfiguration des Diamant-Kupfer-Bearbeitungsmodells, bestehend aus einem Einkristallkupfer-Werkstück und einem Diamantschneidwerkzeug. Die Simulationen werden auf der (111)-Ebene von Einkristallkupfer durchgeführt. Die Abmessungen des Werkstücks in x-[1 -1 0], y-[1 1 -2] und z-[1 1 1] Richtung betragen 27, 10 und 5 nm. Während der MD-Simulationen werden die Werkstückatome in Randschichtatome, thermostatische Schichtatome und Newtonsche Schichtatome unterteilt, wie in Abb. 1 dargestellt. Die beiden Schichten am Boden des Werkstücks, nämlich die Randschicht, bleiben während der MD-Simulationen fixiert, um eine mögliche schnittinduzierte Positionsverschiebung des Werkstücks zu eliminieren. Die drei atomaren Schichten angrenzend an die Randschicht sind thermostatische Schichtatome. Die Temperatur der thermostatischen Schicht wird bei 298 K durch Geschwindigkeitsreskalierungsmethoden gehalten. Die verbleibenden Werkstückatome gehören zur Newtonschen Schicht. In den vorliegenden Simulationen betragen der Spanwinkel und der Freiwinkel des Schneidwerkzeugs 0° und 12°. Die detaillierten Modellparameter sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Da ACS-Bearbeitung vorzugsweise bei geringerer Schnittgeschwindigkeit durchgeführt wird, wird eine Schnittgeschwindigkeit von 25 m/s entlang der [-1 1 0] Richtung verwendet, unter Berücksichtigung des Schnittgeschwindigkeits-Effekts und der Rechenzeitkosten.

Potenzialfunktion

Das Kupfer-Diamant-Bearbeitungssystem beinhaltet hauptsächlich zwei Atomarten: Kupfer- und Diamantatome. In den MD-Simulationen sollten die interatomaren Wechselwirkungen genau beschrieben werden, um die rechnerische Genauigkeit der Simulationsergebnisse zu gewährleisten. Daher ist die angemessene Auswahl der Potenzialfunktion kritisch bedeutsam. In dieser Studie wird die häufig verwendete Embedded-Atom-Methode (EAM) Potenzialfunktion zur Beschreibung der interatomaren Wechselwirkungen zwischen Kupferatomen [21] eingesetzt. Die Morse-Funktion wird angewendet, um die Wechselwirkungen zwischen Kupferatomen und Diamantatomen (Cu-C) zu berechnen, hauptsächlich abhängig von r.

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

wobei E und D₀ das Paarpotenzialenergie und die Kohäsionsenergie bezeichnen, α eine Konstante darstellt, r₀ die Gleichgewichtsdistanz und r der Abstand zwischen zwei Atomen ist. Für Cu-C-Wechselwirkungen beträgt D₀ 0,087 eV, r₀ 0,205 nm [22] und α 51,40 nm⁻¹. Für die Wechselwirkungen zwischen Kohlenstoffatomen im Schneidwerkzeug (C-C) ist die signifikant stärkere Bindungsstärke zwischen Diamantatomen im Vergleich zu Kupferatomen vernachlässigbar. Das Schneidwerkzeug wird während der Analyse als starr betrachtet.

Definition der Schnitttiefe

Die Schnitttiefe (a) ist definiert als der Abstand zwischen dem obersten Punkt der Werkstückoberfläche und dem untersten Punkt des Schneidwerkzeugs. Die Größe eines Werkstückatoms wird üblicherweise durch den Atomradius (r_w) dargestellt. Wie in Abb. 2 gegeben, wenn die oberste erste Atomlage von der Werkstückoberfläche entfernt werden soll, kann die theoretisch maximal verwendbare Schnitttiefe wie folgt ermittelt werden:

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

Hierbei stellt d_layer den Abstand zwischen den obersten benachbarten Atomlagen auf der Werkstückoberfläche dar. In dieser Studie basieren alle Analysen auf der (111)-Oberfläche des Einkristallkupfer-Werkstücks; daher bezieht sich r_w in Gleichung (2) auf den Radius der Kupferatome, nämlich 1,28 Å. d_layer beträgt 2,087 Å. Wenn a größer als a_max ist, wird der unterste Punkt des Schneidwerkzeugs in direkten Kontakt mit der zweiten Atomlage kommen und Materialverformung und sogar -abtrag induzieren. Daher werden in der vorliegenden Studie Schnitttiefen verwendet, die kleiner als a_max (2,32 Å) sind.

Basierend auf den Ergebnissen wird der fundamentale abtragsbasierte Einzelatomlagen-Entfernungsmechanismus bei verschiedenen Kombinationen der Verhältnisse von a zu R und a zu r_w stark verändert.

Ergebnisse und Diskussion

Laut MD-Ergebnissen haben sowohl der atomare Größeneffekt als auch der Werkzeugradius-Effekt den abtragsbasierten Einzelatomlagen-Entfernungsprozess stark beeinflusst. In den folgenden Abschnitten werden zur klaren Beschreibung des atomaren Größeneffekts und des Werkzeugradius-Effekts das Verhältnis der Schnitttiefe (a) zum Werkstückatomradius (r_w), a/r_w, und das der Schnitttiefe (a) zum Werkzeugradius (R), a/R, verwendet. Die Analyseergebnisse werden systematisch aus den Aspekten Spanbildung, Oberflächenbildung, Unterflächenverformung und atomarem Verschiebungsverhalten untersucht. Die Ergebnisse liefern detaillierte Einblicke in die typischen Charakteristika des abtragsbasierten Einzelatomlagen-Entfernungsmechanismus.

Spanbildung

Die Analyseergebnisse zeigen, dass aufgrund des Werkstück-atomaren Größeneffekts [20] zwei kritische Werte des Verhältnisses von Schnitttiefe (a) zu Werkstückatomradius (r_w) existieren, nämlich kritischer Wert 1 (C₁) und kritischer Wert 2 (C₂), die das Spanbildungsverhalten in verschiedene Fälle unterteilen.

1. Das Verhältnis a/r_w ist kleiner als kritischer Wert 1 (C₁).

Abb. 3 zeigt die MD-Simulationsergebnisse bei verschiedenen Werkzeugradii bei einer Schnitttiefe von ca. 1,1 Å. Hier beträgt das Verhältnis a/r_w 0,781.

Trotz erhöhtem Werkzeugradius tritt elastische Verformung auf jeder bearbeiteten Cu (111) Oberfläche auf. Es findet keine Spanbildung und kein Materialabtrag über den Bearbeitungsprozess statt. Die Studie zeigt, dass die Schnitttiefe größer als ca. 1,1 Å sein sollte, um Materialabtrag auf der Cu (111) Oberfläche zu ermöglichen.

2. Das Verhältnis a/r_w ist größer als C₁, aber kleiner als kritischer Wert 2 (C₂).

Wenn die Schnitttiefe größer als ca. 1,1 Å ist, also das Verhältnis a/r_w größer als 0,781, tritt Materialabtrag auf der Werkstückoberfläche auf. Wie in Abb. 4 dargestellt, wird ein Teil des Materials von der Werkstückoberfläche entfernt, aber eine größere Anzahl von Atomen innerhalb der obersten ersten Lage verbleibt auf der neuen bearbeiteten Oberfläche und bildet Oberflächenfehler. Zudem, wenn der Werkzeugradius auf 7,5 nm ansteigt, beträgt das Verhältnis a/R 0,019. In einem solchen Fall wurden einige Atome der ersten Atomlage in die zweite und sogar dritte Atomlage gepresst, wie in Abb. 4e gezeigt, was auf die Extrusionswirkung des Schneidwerkzeugs zurückzuführen sein sollte. Es zeigt auch, dass der Werkzeugradius-Effekt beginnt, den Materialabtragsprozess zu beeinflussen, obwohl keine kontinuierliche Materialentfernung erreicht werden konnte.

3. Das Verhältnis a/r_w ist größer als C₂.

Abb. 5 zeigt die Spanbildung bei einer Schnitttiefe von ca. 2 Å. Hier beträgt a/r_w = 2 Å / 1,28 Å = 1,563. Im Vergleich zu Abb. 3 konnten mit einer Erhöhung der Schnitttiefe auf 2 Å die Atome innerhalb der gezielten Atomlage kontinuierlich und stabil durch Spanbildung entfernt werden. Dies deutet darauf hin, dass die Schnitttiefe größer als die minimale Spandicke von Einkristallkupfer geworden ist, und die minimale Spandicke könnte mit einer Schnitttiefe von ca. 2 Å auf eine einzelne Atomlage reduziert werden. Nach dem Schneiden wurden die Materialien innerhalb der ersten Atomlage vollständig von der Werkstückoberfläche entfernt.

Es kann jedoch auch in Abb. 5 bemerkt werden, dass aufgrund der Erhöhung des Verhältnisses a/R die Atome in der ersten Atomlage offensichtlich unterschiedliche Entfernungsprozesse durchlaufen, besonders die schnittinduzierte Verformung auf der bearbeiteten Oberfläche. Bei einer Schnitttiefe von 2 Å, wenn ein scharfes Schneidwerkzeug verwendet wird, beträgt das Verhältnis a/R 5,70, und es tritt nur eine leichte Verformung auf der bearbeiteten Oberfläche auf. Wenn der Werkzeugradius auf 3 nm ansteigt, beträgt a/R 0,134, und die Amplitude der elastischen Verformung nahm evident zu.

Wenn der Werkzeugradius auf 4 nm erhöht wird, wie in Abb. 5d gegeben, wurden viele Atome innerhalb der gezielten ersten Atomlage in die zweite Atomlage gepresst, wodurch die neue bearbeitete Oberfläche gebildet wird. Bei einem Werkzeugradius von ca. 7,5 nm diffundiert ein Teil der Atome der ersten Lage sogar in die dritte Atomlage. Wenn der Werkzeugradius ca. 10 nm erreicht, tritt eine evidente elastische und plastische Verformung auf, was auch im folgenden Abschnitt 3.3 bestimmt werden kann.

Daher hängt die abtragsbasierte Einzelatomlagen-Entfernung nicht nur vom Verhältnis a/r_w, sondern auch vom Verhältnis a/R ab. Um Einzelatomlagen-Abtrag durch mechanische Bearbeitung zu erreichen, also Materialabtrag auf atomarer Skala, sollten sowohl Atomgrößen-Effekte als auch Werkzeugradius-Effekte berücksichtigt werden, was sich signifikant von Mikro-/Nanobearbeitung und konventioneller makroskopischer Bearbeitung unterscheidet.

Oberflächenbildung

Ein Ziel der abtragsbasierten Atomlagen-Entfernung ist die Erlangung einer fehlerfreien bearbeiteten Oberfläche mit idealer Kristallstruktur. Der Werkstück-atomare Größeneffekt auf die Oberflächenbildung in der ACS-Bearbeitung wurde kürzlich untersucht [20]. In der vorliegenden Studie wird zur klaren Anzeige des Werkzeugradius-Effekts auf die Oberflächenbildung in der ACS-Bearbeitung die Oberflächentopographie und -zusammensetzung der neuen bearbeiteten Oberfläche wie folgt untersucht.

Oberflächentopographie

Abb. 6 zeigt die Oberflächentopographien der bearbeiteten Cu (111) Oberfläche bei verschiedenen Werkzeugradii. Hier wird eine Schnitttiefe von 2 Å verwendet. Wie in Abb. 6a, b gezeigt, konnten bei Werkzeugradius kleiner als 3 nm Cu (111) Oberflächen mit idealer Kristallstruktur erzielt werden. Die Fehler an der linken Seite der Werkstückoberfläche sind auf die Verformung während des Austritts des Werkzeugs zurückzuführen. Während des Schneidens im stabilen Stadium wird kein Oberflächenfehler auf der bearbeiteten Oberfläche gebildet.

Mit zunehmendem Werkzeugradius werden jedoch allmählich viele Fehler auf der bearbeiteten Oberfläche gebildet. Bei einem Werkzeugradius von 4 nm entstehen viele grillartige Fehler auf der bearbeiteten Oberfläche, siehe Abb. 6d. Weiterhin, wenn der Werkzeugradius 5 nm erreicht oder überschreitet, werden große Mengen an Oberflächenfehlern gebildet, die die Oberflächenqualität ernsthaft verschlechtern. In einem solchen Fall wurde mehr als eine Atomlage von der Werkstückoberfläche entfernt. Daher kann festgestellt werden, dass bei einer Schnitttiefe von 2 Å, wenn der Werkzeugradius kleiner als 3 nm ist, Einzelatomlagen-Abtrag auf der Cu (111) Oberfläche erreicht werden konnte. Aufgrund des Werkzeugradius-Effekts sollte das Verhältnis von Schnitttiefe (a) zu Werkzeugradius (R) größer als ein Schwellenwert sein, um eine fehlerfreie bearbeitete Oberfläche durch abtragsbasierte Einzelatomlagen-Entfernung zu erzielen. Hier beträgt der kritische Wert des Verhältnisses a/R [0,05, 0,067].

Oberflächenzusammensetzung

Abb. 7 zeigt die Zusammensetzung der bearbeiteten Oberflächen bei verschiedenen Werkzeugradii und einer Schnitttiefe von 2 Å. Hier sind grüne und blaue Atome jene aus der ersten und zweiten Lage, während rote Atome jene unterhalb der zweiten Atomlage sind. Wie in Abb. 7a gezeigt, wenn ein scharfes Schneidwerkzeug verwendet wird, beträgt a/R 2,85, besteht die bearbeitete Oberfläche nur aus Atomen der ersten Lage. Dieses Ergebnis zeigt, dass die gezielte erste Atomlage vollständig vom Werkstück entfernt wurde. Zudem bedeutet dies, dass der Materialabtrag in Form von Lage-für-Lage erfolgt, bei dem das entfernte Material nur aus der gezielten ersten Atomlage auf der Werkstückoberfläche stammt.

Wenn der Werkzeugradius jedoch 2 nm und 3 nm beträgt, wie in Abb. 7b, c gezeigt, bestehen die bearbeiteten Oberflächen aus zwei Atomlagen (blau und grün). Dies deutet darauf hin, dass obwohl Einzelatomlagen-Abtrag erreicht wurde, der Oberflächenbildungsprozess mindestens 2 Atomlagen involviert. Weiterhin, wenn der Werkzeugradius 4 nm überschreitet, befindet sich eine große Anzahl von Atomen der ersten Atomlage auf der bearbeiteten Oberfläche, was anzeigt, dass viele Atome der ersten Lage gepresst wurden, um eine neue Oberfläche zu generieren.

Daher hat sich die Oberflächenbildung mit zunehmendem Werkzeugradius stark verändert. Zwei Arten von Oberflächenbildungsmechanismen sind nachfolgend zusammengefasst:

1. Lage-für-Lage: Die gezielte erste Atomlage wird vollständig entfernt, um die neue bearbeitete Oberfläche zu generieren. Nur Atome innerhalb der ersten Lage werden während des Schneidprozesses entfernt.

2. Mehrlagenabtrag: Obwohl Einzelatomlagen-Abtrag realisiert werden konnte, durchlaufen die Atome innerhalb der gezielten Atomlage zwei typische Verschiebungsverhalten. Ein Teil der Atome würde durch schubspannungsgetriebene Versetzungsbewegung in Span gebildet, während andere unter der Wirkung des Schneidwerkzeugs in die bearbeitete Oberfläche extrudiert würden. Der Materialabtragsprozess involviert mindestens zwei Atomlagen.

Unterflächenverformungsmechanismus

In der Nanobearbeitung treten elastische und plastische Verformungen auf der bearbeiteten Oberfläche während des Schneidprozesses auf. Nachdem das Schneidwerkzeug über die Werkstückoberfläche gefahren ist, federt der elastische Teil zurück, während der plastisch verformte Teil zu bleibender Verformung führen würde [1, 2]. Wenn die Schnitttiefe auf atomare Skala abnimmt, wird bei der Bearbeitung hin zur Einzelatomlagen-Entfernung postuliert, dass nur elastische Verformung auf der bearbeiteten Oberfläche auftritt. Zur Verifizierung werden die Werkstück-Unterflächenverformungszustände während und nach dem Schneiden analysiert. Abb. 8 illustriert die Defektstrukturen in der Werkstückunterfläche bei verschiedenen Werkzeugradii. Hier sind die Atome basierend auf dem Zentrosymmetrieparameter (CSP) gefärbt, und Atome mit CSP kleiner als 3 werden weggelassen, welche jene mit perfekter FCC-Struktur repräsentieren.

Wenn der Werkzeugradius kleiner als 4 nm ist, wird kein Unterflächenfehler in der bearbeiteten Oberfläche gebildet. Es tritt nur elastische Verformung auf der bearbeiteten Oberfläche beim Schneiden auf.

Wie in Abb. 8 gezeigt, werden bei einem Werkzeugradius gleich oder größer 4 nm Unterflächenfehler initialisiert. Zudem nimmt die Anzahl der Unterflächenfehler mit zunehmendem Werkzeugradius signifikant zu. Wenn der Werkzeugradius ca. 10 nm erreicht, wurde ein Versetzungsloop gebildet, der nach dem Schneiden nicht verschwinden konnte, wie in Abb. 9e gezeigt. Dies deutet klar auf plastische Verformung auf der bearbeiteten Oberfläche hin.

Nachdem das Werkzeug über die Werkstückoberfläche gefahren ist, würde sich der elastisch verformte Teil zurückfedern; somit werden Teile der Unterflächenfehler annihiliert. Wie in Abb. 9a–c dargestellt, existiert schließlich kein Unterflächenfehler, wenn der Werkzeugradius 2 nm oder 3 nm beträgt.

Für den plastisch verformten Teil führt er zu bleibender Verformung. Wie in Abb. 9 gezeigt, verbleiben bei einem Werkzeugradius von 7,5 nm wenige Unterflächenfehler. Bei 10 nm Werkzeugradius existieren der Versetzungsloop und die Stapelverfehlung schließlich in der Werkstückunterfläche.

Basierend auf der obigen Analyse kann geschlossen werden, dass zur Ermöglichung der abtragsbasierten Einzelatomlagen-Entfernung plastische Verformung vermieden werden sollte und nur elastische Verformung auf der bearbeiteten Oberfläche erlaubt ist. Dies wird als ein charakteristisches Merkmal des abtragsbasierten Einzelatomlagen-Entfernungsprozesses angesehen.

Atomares Verschiebungsverhalten

Laut MD-Trajektoriedateien hat die Versetzungsbewegung den abtragsbasierten Einzelatomlagen-Entfernungsprozess dominiert. Abb. 10 zeigt die Simulationsergebnisse mit verschiedenen Werkzeugradii. Bei einem Werkzeugradius von 2 nm wird unter der Wirkung des Schneidwerkzeugs nur die erste Atomlage entlang der Schneidrichtung in Span verformt, während die anderen immobil bleiben. Dies könnte als ein Querschnitt einer Kantenversetzung betrachtet werden.

Mit zunehmendem Werkzeugradius wurde ein Teil des Materials innerhalb der ersten Atomlage in die bearbeitete Oberfläche gepresst, was den Gleitvorgang der Atomlagen unterhalb der ersten Lage induzierte. Zudem nimmt mit zunehmendem Werkzeugradius die Anzahl der Atomlagen, die den Materialsprozess durchlaufen, tendenziell zu. Bei einem Werkzeugradius von 4 nm führt, abgesehen von der ersten Atomlage, auch die zweite Atomlage Materialsprozess entlang der Schneidrichtung durch, wie in Abb. 10 illustriert. Bei einem Werkzeugradius von 7,5 nm haben sich die oberen drei Atomlagen auf der Werkstückoberfläche entlang der Schneidrichtung verschoben, während das Schneidwerkzeug voranschreitet. Weiterhin, bei einem Werkzeugradius von 10 nm, wurde eine große Menge Material gepresst, um eine neue bearbeitete Oberfläche zu bilden; es tritt plastische Verformung auf der Werkstückoberfläche auf (siehe Abb. 10e), was auch in Abb. 9 bestimmt werden kann.

Abb. 11 zeigt den Gleitprozess der gezielten Atomlage entlang der Schneidrichtung. Der Bereich der Gleitzone wird kontinuierlich vergrößert, während sich das Schneidwerkzeug vorwärts bewegt. Bei einem Schnittweg von 17,5 nm hat die Gleitzone einen Maximalwert erreicht. Anschließend werden die Materialien innerhalb der Gleitzone kontinuierlich in Span gebildet; das Volumen des Spans nimmt ebenfalls zu.

Insgesamt, gemäß der Analyse in Abschnitten 3.3 und 3.4, haben sich sowohl der Unterflächenverformungsmechanismus als auch das atomare Verschiebungsverhalten mit zunehmendem Werkzeugradius stark verändert. Bei verschiedenen Werkzeugradii neigen unterschiedliche Anzahlen von Atomlagen dazu, entlang der Schneidrichtung zu gleiten, während unterschiedliche Verformungsregime auf der bearbeiteten Oberfläche auftreten, wie in Tabelle 2 zusammengefasst. Zudem kann festgestellt werden, dass im abtragsbasierten Einzelatomlagen-Entfernungsprozess die Spanbildung durch schubspannungsgetriebene Versetzungsbewegung gesteuert wird, was sich signifikant von der Spanbildung in konventioneller Bearbeitung und Nanobearbeitung unterscheidet. Dies kann auch als ein charakteristisches Merkmal der abtragsbasierten Einzelatomlagen-Entfernung betrachtet werden.

Schnittkraft

Einfluss des Werkzeugradius-Effekts

Abb. 12 zeigt den Werkzeugradius-Effekt auf die gemittelten Schnittkräfte bei einer Schnitttiefe von 2 Å. Hier werden die tangentialen und normalen Komponenten der Schnittkräfte, nämlich F_t und F_n, verglichen. Wie illustriert, beträgt für ein scharfes Schneidwerkzeug das Verhältnis a/R 2,85, und F_t von 16,4 nN ist evident kleiner als F_n von 23,7 nN. Mit zunehmendem Werkzeugradius nehmen sowohl F_t als auch F_n zu. Allerdings zeigte F_n deutlich größere Wachstumsamplituden als F_t. Dies deutet klar darauf hin, dass mit zunehmendem Werkzeugradius die normale Schnittkraft größeren Einfluss auf den Materialabtragsprozess im ACS-Bearbeitungsprozess hätte. Wenn der Werkzeugradius jedoch größer als ca. 3 nm ist, konnte Einzelatomlagen-Abtrag nicht erreicht werden. Somit wäre eine größere normale Schnittkraft nicht hilfreich, um abtragsbasierte Einzelatomlagen-Entfernung zu ermöglichen, und eine geringere normale Schnittkraft sollte bevorzugt werden.

Da die normalen Schnittkräfte die Druckspannung bereitstellen, um elastische und/oder plastische Verformung auf der bearbeiteten Oberfläche zu ermöglichen, würden die tangentialen Schnittkräfte die Schubspannung für die Spanbildung bereitstellen. Daher kann geschlossen werden, dass die Spanbildung in der abtragsbasierten Einzelatomlagen-Entfernung hauptsächlich durch die tangentielle Schnittkraft angetrieben werden sollte. In Abb. 12b ist auch zu sehen, dass F_t drei Arten von Änderungen aufweist, was zu unterschiedlichen Oberflächentopographien führt (siehe Abb. 6), einschließlich:

Wenn der Werkzeugradius kleiner als ca. 3 nm ist, also a/R 0,067 beträgt, bleibt F_t approximativ unverändert und ist immer kleiner als 25 nN, während der Werkzeugradius zunimmt. In einem solchen Fall wird nur eine Atomlage von der Werkstückoberfläche entfernt.

Wenn der Werkzeugradius 3 nm und 5 nm beträgt, sind die Verhältnisse a/R 0,04 und 0,067, während F_t evident auf ca. 38,5 nN ansteigt. Folglich wird mehr als eine Atomlage von der Werkstückoberfläche entfernt, aber es wird eine geringe Anzahl an Oberflächenfehlern gebildet.

Für Werkzeugradii größer als 5 nm konvergiert F_t ebenfalls allmählich zu einem konstanten Wert. In diesem Fall wird mehr als eine Atomlage entfernt. Allerdings werden große Mengen an Oberflächenfehlern auf der Werkstückoberfläche und in der Unterfläche gebildet.

Es kann geschlossen werden, dass eine sehr geringe tangentielle Schnittkraft abtragsbasierte Einzelatomlagen-Entfernung bei einem vernünftigen Werkzeugradius, wie 2 nm, ermöglichen könnte. Umgekehrt könnte Einzelatomlagen-Abtrag nicht realisiert werden, trotz größerer tangentialer Schnittkraft.

Einfluss des atomaren Größeneffekts

Abb. 13 zeigt weiterhin den Verlauf der Schnittkräfte in Abhängigkeit von der Schnitttiefe bei einem Werkzeugradius von 2 nm. Es zeigt sich, dass bei einem Werkzeugradius von 2 nm sowohl die normale als auch die tangentielle Schnittkraft bei zunehmender Schnitttiefe dreistufige Änderungen aufweisen. Evidente Änderungen treten bei einer Schnitttiefe von ca. 1,1 Å und 1,6 Å auf. Die entsprechenden Verhältnisse a/r_w betragen 0,055 und 0,080, welche die oben erwähnten zwei kritischen Werte von a/r_w, C₁ und C₂, wie in Abschnitt 3.1 dargestellt, sind.

Wenn die Schnitttiefe kleiner als 1,1 Å ist, also a/r_w kleiner als 0,055, beträgt F_t immer 0 nN, während F_n linear auf ca. 32 nN ansteigt. Die Schnittkräfte konnten jedoch keine plastische Materialverformung und -abtrag auf der Werkstückoberfläche ermöglichen. Folglich tritt nur elastische Verformung auf der Werkstückoberfläche auf, wie in Abb. 3 gezeigt.

Wenn die Schnitttiefe größer als 1,1 Å, aber kleiner als 1,6 Å ist, beträgt a/r_w mehr als 0,055 aber weniger als 0,080. In diesem Fall ist F_t stark von 0 nN auf ca. 25 nN angestiegen, während F_n weiter auf ca. 58 nN anstieg. Die Schnittkräfte sind groß genug, um Materialabtrag auf der Werkstückoberfläche zu ermöglichen. Bei einer Schnitttiefe von 1,4 Å gibt es Spanbildung und Materialabtrag auf der Werkstückoberfläche. Aber stabiler und kontinuierlicher Materialabtrag konnte nicht realisiert werden und viele Fehler bilden sich auf der bearbeiteten Oberfläche, wie in Abb. 4 gezeigt.

Wenn die Schnitttiefe größer als 1,6 Å ist, sind sowohl F_t als auch F_n groß genug, um kontinuierlichen Materialabtrag auf der Werkstückoberfläche zu ermöglichen. Folglich wird der Span stabil über der Werkstückoberfläche gebildet, und die gezielte Atomlage wird kontinuierlich über Spanbildung entfernt, wodurch eine neue bearbeitete Oberfläche entsteht, wie in Abb. 5b und Abb. 6b gezeigt.

Insgesamt haben sowohl Werkzeugradius-Effekt als auch atomarer Größeneffekt Einfluss auf die Schnittkraft im abtragsbasierten Einzelatomlagen-Entfernungsprozess, wodurch der Materialabtrags- und Oberflächenbildungsprozess verändert wird.

Diskussion zum abtragsbasierten Einzelatomlagen-Entfernungsmechanismus

Gemäß der obigen Analyse haben sowohl atomarer Größeneffekt als auch Werkzeugradius-Effekt großen Einfluss auf den abtragsbasierten Einzelatomlagen-Entfernungsmechanismus. Wie in Tabelle 3 zusammengefasst, gibt es abhängig vom Verhältnis der Schnitttiefe zum Werkstückatomradius (a/r_w) und dem Verhältnis der Schnitttiefe zum Werkzeugradius (a/R) mindestens 5 typische Fälle von Materialverformungs- und -abtragsverhalten im abtragsbasierten Einzelatomlagen-Entfernungsprozess. In diesem Abschnitt wird der fundamentale Materialverformungs- und -abtragsmechanismus jedes Falls zusammengefasst.

In der konventionellen Bearbeitung, da die Schnitttiefe signifikant größer als der Werkzeugradius ist, kann der Werkzeugradius-Effekt ignoriert werden. Wenn die Schnitttiefe auf Nanoskala abnimmt, was vergleichbar oder niedriger als der Werkzeugradius ist, kann der Werkzeugradius-Effekt nicht mehr ignoriert werden. In der Nanobearbeitung wird der Materialabtragsprozess von der Extrusionsverformung dominiert, die stark vom Werkzeugradius beeinflusst wird. Wenn die Schnitttiefe weiter auf atomare Skala verringert wird, hat außer dem Werkzeugradius-Effekt ein neuer Größeneffekt, der atomare Größeneffekt [20], großen Einfluss auf den Materialabtrag.

Wie in Abb. 14 gezeigt, sind im abtragsbasierten Einzelatomlagen-Entfernungsprozess zwei Anteile am Schneiden beteiligt: die nanometrische Schneidkante und die untersten Werkzeugatome (B). Diese beiden Anteile könnten gekoppelt werden, um Einzelatomlagen-Entfernung zu ermöglichen. Die Größe der Schneidkante, als „Nano-Werkzeug“ betrachtet, wird durch den Werkzeugradius (R) beschrieben. Die Schneidkante ist die Hüllkurve der äußersten Atome im Schneidwerkzeug. Bezüglich der untersten Atome, als „Atom-Werkzeug“ betrachtet, wird sie durch den Werkstückatomradius (r_w) beschrieben. Die abtragsbasierte Einzelatomlagen-Entfernung ist das Ergebnis der gekoppelten Wirkungen von Nano-Werkzeug und Atom-Werkzeug auf das Werkstückmaterial.

Zunächst, abhängig vom Verhältnis der Schnitttiefe (a) zum Werkstückatomradius (r_w), also a/r_w, gibt es drei Arten von Materialverformungsverhalten im ACS-Bearbeitungsprozess.

1. Das Verhältnis a/r_w ist kleiner als kritischer Wert 1 (C₁).

Wie in Abb. 15 gezeigt, tritt keine Spanbildung auf, aber elastische Verformung auf der Werkstückoberfläche. Während des Bearbeitungsprozesses würde sich der elastisch verformte Teil nach Passieren des tiefsten Punkts des Schneidwerkzeugs vollständig erholen. Folglich tritt keine Materialverformung und -abtrag auf der obersten Oberfläche auf. In einem solchen Fall könnte der Werkzeugradius-Effekt ignoriert werden. Dieses Verhältnis könnte durch Materialeigenschaften beeinflusst werden (Fall 1).

2. Das Verhältnis a/r_w ist größer als C₁, aber kleiner als kritischer Wert 2 (C₂).

Wenn das Verhältnis der Schnitttiefe zum Atomradius (a/r_w) ansteigt, größer als C₁ aber kleiner als kritischer Wert 2 (C₂) zu sein, tritt Materialabtrag auf der Werkstückoberfläche auf, aber er ist nicht kontinuierlich. In einem solchen Fall wird nur ein Teil des Materials innerhalb der gezielten Atomlage durch schubspannungsgetriebene Versetzungsbewegung in Span gebildet, während andere auf der Werkstückoberfläche verbleiben. Wenn das Schneidwerkzeug über die Werkstückoberfläche fährt, wird die Oberflächenqualität der bearbeiteten Oberfläche ernsthaft verschlechtert (Fall 2) (Abb. 16).

3. Das Verhältnis a/r_w ist größer als kritischer Wert 2 (C₂).

Wenn das Verhältnis der Schnitttiefe zum Atomradius (a/r_w) ansteigt, größer als den kritischen Wert zu sein, gibt es kontinuierlichen Materialabtrag durch Spanbildung während des Bearbeitungsprozesses. In einem solchen Fall können die Werkzeugradius-Effekte nicht mehr ignoriert werden. Für den ACS-Bearbeitungsprozess ist die maximale Schnitttiefe subnanometer-ordnung. Bei solch extrem niedriger Schnitttiefe ist der effektive Spanwinkel unabhängig vom nominalen Spanwinkel immer stark negativ. Die negative Spanfläche kann die notwendige Schubspannung erzeugen, um Spanbildung durch Versetzungsbewegung zu ermöglichen, und die Druckkraft, um elastische und/oder plastische Verformung auf der bearbeiteten Oberfläche zu ermöglichen.

Abhängig vom Verhältnis der Schnitttiefe (a) zum Werkzeugradius (R) treten unterschiedliche Arten von elastischer und/oder plastischer Verformung auf der Werkstückoberfläche auf. Es gibt zwei Schwellenwerte von a/R, nämlich Schwellenwert 1 (T₁) und Schwellenwert 2 (T₂), die zu unterschiedlichen Materialabtragsprozessen führen.

1. Das Verhältnis a/R ist größer als Schwellenwert (T₁).

Wie in Abb. 17 gezeigt, gibt es eine atomare Gleitebene. Das Werkstückmaterial unterhalb dieser Ebene würde elastische Verformung erfahren. Für die Materialien oberhalb dieser Gleitebene durchläuft es plastische Verformung durch Versetzungsbewegung. Ein Teil des Materials wird auch durch schubspannungsgetriebene Versetzungsbewegung in Span gebildet, während der andere Versetzungsgleiten durchläuft. Nachdem das Werkstück den tiefsten Punkt des Schneidwerkzeugs passiert hat, erholt sich der elastisch verformte Teil vollständig (Fall 3).

2. Das Verhältnis a/R ist niedriger als Schwellenwert 1 (T₁), aber größer als Schwellenwert 2 (T₂).

Unter der Wirkung der Schneidkante durchlaufen mindestens zwei Atomlagen Versetzungsgleiten, während elastische Verformung auf der bearbeiteten Oberfläche auftritt, wie in Abb. 18 gezeigt. Die Schneidkante liefert eine Kraft, um die Schubspannung zur Ermöglichung der Spanbildung durch Versetzungsbewegung und die Druckspannung zur Induktion elastischer Verformung auf der bearbeiteten Oberfläche zu erzeugen. In einem solchen Fall wird ein Teil des Materials innerhalb der gezielten Atomlage durch Versetzungsbewegung in Span gebildet, während der andere in andere Atomlagen extrudiert wird, um eine neue bearbeitete Oberfläche zu bilden. Es treibt auch den Gleitvorgang anderer Atomlagen auf der Werkstückoberfläche an, was zu negativem Versetzungsaufstieg führt. Nachdem das Werkstückmaterial den tiefsten Punkt des Schneidwerkzeugs passiert hat, federt der elastische Teil zurück (Fall 4).

3. Das Verhältnis a/R ist niedriger als Schwellenwert 2 (T₂).

Wenn das Verhältnis a/R auf unter T₂ abnimmt, gibt es entweder keine Spanbildung oder extrem geringes Spanvolumen, aber elastisch-plastische Verformung tritt auf der bearbeiteten Oberfläche auf, wie in Abb. 19 gezeigt. Nachdem das Werkstückmaterial den tiefsten Punkt der Schneidkante passiert hat, federt der elastisch verformte Teil zurück. Der plastisch verformte Teil (Δ) führt zu bleibender Verformung. Ein solches Verhältnis hängt von Materialeigenschaften, Werkzeuggeometrie und Prozessbedingungen ab (Fall 5).

Schlussfolgerungen

In der vorliegenden Studie werden sowohl Atomgrößen-Effekt als auch Werkzeugradius-Effekt analysiert, um ihren Einfluss auf Spanbildung, Oberflächenbildung, Unterflächenverformung und atomares Verschiebungsverhalten während der Bearbeitung von Einkristallkupfer hin zur Einzelatomlagen-Entfernung zu untersuchen. Folgende Schlussfolgerungen können gezogen werden:

1. Ein neues Modell wird vorgeschlagen, um den zugrundeliegenden Materialverformungs- und -abtragsmechanismus im abtragsbasierten Einzelatomlagen-Entfernungsprozess zu beschreiben, der vier Charakteristika aufweist: Spanbildung durch Versetzungsbewegung, elastische Verformung auf der bearbeiteten Oberfläche, atomarer Größeneffekt und Werkzeugradius-Effekt.

2. Sowohl atomarer Größeneffekt als auch Werkzeugradius-Effekt haben großen Einfluss auf die Materialverformung und -abtrag während des Bearbeitungsprozesses von Einkristallkupfer hin zur Einzelatomlagen-Entfernung. Mit einem spezifischen Verhältnis der Schnitttiefe zum Werkstückatomradius (a/r_w) und der Schnitttiefe zum Werkzeugradius (a/R) konnte abtragsbasierte Einzelatomlagen-Entfernung auf Cu (111) Oberfläche erreicht werden.

3. Die Spanbildung wird von den Verhältnissen a/r_w und a/R beeinflusst. Spanbildung tritt nur auf, wenn das Verhältnis a/r_w größer als ein kritischer Wert (C₁) und das Verhältnis a/R kleiner als ein Schwellenwert (T₁) ist. Zudem wird die Spanbildung hauptsächlich von schubspannungsgetriebener Versetzungsbewegung abhängen, was sich signifikant von der extrusionsdominierten Spanbildung in der Nanobearbeitung und der schergestützten Spanbildung in der konventionellen Bearbeitung unterscheidet.

4. Einzelatomlagen-Abtrag kann über Lage-für-Lage-Abtrag und Mehrlagenabtrag erreicht werden. Ersterer bezieht sich darauf, dass die gezielte Atomlage vollständig von der Werkstückoberfläche entfernt werden konnte. Letzterer bedeutet, dass die erste Atomlage teilweise entfernt wird, während die verbleibenden Materialien in andere Atomlagen gepresst werden, um eine neue bearbeitete Oberfläche zu bilden.

5. Es tritt nur elastische Verformung auf der bearbeiteten Oberfläche während des ACS-Bearbeitungsprozesses auf, anders als die elastisch-plastische Verformung in der Nanobearbeitung. Dies kann als ein charakteristisches Merkmal der ACS-Bearbeitung angesehen werden.

6. Abhängig vom kombinierten Effekt von Atomgrößen-Effekt und Werkzeugradius-Effekt existieren fünf Fälle von Materialverformungs- und -abtragsprozessen während der abtragsbasierten Einzelatomlagen-Entfernung: Kein Werkstückmaterial wird entfernt (Fall 1), Werkstückmaterialien werden nicht-kontinuierlich entfernt (Fall 2), ein Teil der Materialien wird in Span gebildet während andere Materialsprozess durch Versetzungsbewegung durchlaufen (Fall 3), ein Teil der Materialien innerhalb der gezielten Atomlage wird in Span gebildet während andere in andere Atomlagen extrudiert werden, um eine neue bearbeitete Oberfläche zu bilden (Fall 4), und der elastisch verformte Teil federt zurück, während der plastisch verformte Teil zu bleibender Verformung führt (Fall 5).

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Die Autoren erklären, dass die Materialien, Daten und zugehörigen Protokolle den Lesern zur Verfügung stehen, und alle für die Analyse verwendeten Daten sind in diesem Artikel enthalten.

Abkürzungen

ACS:

Atomar und nahe-atomar

ACSM:

Atomare und nahe-atomare Fertigung

MD:

Molekulardynamik