Menjelajahi Pemesinan Nano Berdasar Ujung dengan Dinamika Molekuler: Tinjauan Komprehensif

Abstrak

Pemesinan nano berdasar ujung (TBN) telah terbukti sebagai teknik yang cakap dan feasible untuk pembuatan mikrostruktur. Simulasi dinamika molekuler (MD) banyak diterapkan dalam pendekatan TBN untuk mengeksplorasi mekanisme yang tidak dapat sepenuhnya terungkap melalui eksperimen. Tinjauan ini membahas progres ilmiah terbaru dalam simulasi MD untuk pendekatan TBN. Pertama, metode pembentukan model simulasi untuk berbagai materi disajikan. Kemudian, analisis mekanisme pemesinan TBN dibahas, mencakup analisis gaya pemotongan, analisis penghapusan materi, dan analisis cacat di subsurface. Terakhir, keterbatasan saat ini dan prospek masa depan metode TBN dalam simulasi MD juga ditinjau. Diharapkan tinjauan ini memberikan referensi bagi penelitian selanjutnya.

Pendahuluan

Teknologi manufaktur mikro/nano telah banyak digunakan di berbagai bidang, termasuk lingkungan, energi, biologi, kedokteran, pertahanan nasional, dan lainnya, yang memainkan peran yang semakin penting dalam mendorong pembangunan nasional dan kemajuan sosial [1,2,3,4]. Untuk merealisasikan pembuatan mikro/nano dengan presisi tinggi, pendekatan pemesinan mekanis berbasis probes mikroskop gaya atom (AFM) yang dikenal sebagai TBN memiliki peralatan dan operasi sederhana, akurasi pemesinan skala nano dengan persyaratan lingkungan yang rendah, dan telah terbukti sebagai pendekatan yang cakap dan feasible untuk memabrikasi mikrostruktur [5, 6]. Sampai sekarang, titik nano, garis/selokan, struktur dua dimensi (2D)/tiga dimensi (3D), dan bahkan struktur nano pada permukaan lengkung yang dikenal sebagai komponen utama perangkat nano telah berhasil difabrikasi dengan metode TBN [7].

Untuk memabrikasi struktur nano dengan presisi yang lebih tinggi, diperlukan pemahaman mendalam terhadap proses pemesinan metode TBN. Banyak ahli telah menyelidiki mekanisme pendekatan TBN dengan eksperimen pada berbagai materi, seperti logam [8], semiconductor [9, 10], dan polimer [11]. Namun, sulit untuk menyelidiki mekanisme internal pendekatan TBN lebih lanjut melalui eksperimen. Simulasi dinamika molekuler (MD) telah terbukti sebagai alat yang cakap untuk mengeksplorasi proses pemesinan nano yang tidak dapat sepenuhnya terungkap melalui eksperimen [12, 13]. Dibandingkan dengan metode eksperimen, metode MD dapat lebih baik menjelaskan mekanisme mikrostel pengangkatan materi dan pembentukan permukaan melalui analisis gaya pemotongan, keadaan stres, disipasi energi, dan topografi permukaan [12].

Di masa lalu, beberapa ahli telah menggunakan teknologi simulasi MD untuk menyelidiki proses TBN. Fang et al. menyelidiki efek scribing feed dan sudut kon pada proses nanolitografi [14, 15]. Isono dan Tanaka menganalisis efek suhu, kemesinan, dan gaya interatomik logam nikel [16, 17]. Yan et al. mempelajari efek geometri ujung dalam proses litografi berbasis AFM [18]. Saat ini, beberapa proses TBN baru telah diteliti dengan simulasi MD. Xiao et al. membandingkan perbedaan antara metode ploughing statis dan dinamis, dan menemukan struktur nano yang lebih kecil dapat difabrikasi dengan metode ploughing dinamis [19]. Geng et al. telah melakukan simulasi MD nanoscratching yang dikontrol beban dengan langsung menerapkan beban normal konstan pada probe [20]. Untuk memabrikasi nanogroove dengan densitas lebih tinggi, minimum feed (MF) harus diteliti. Ren et al. menyajikan pendekatan baru yang melibatkan kriteria coarse-to-fine untuk menentukan MF dengan menggunakan simulasi MD [21]. Hasilnya menunjukkan bahwa MF dengan akurasi tinggi didapatkan. Namun, dalam tinjauan sebelumnya [12, 13, 22,23,24], progres baru dari teknologi simulasi MD yang digunakan untuk proses TBN tidak dimasukkan. Oleh karena itu, dalam tinjauan ini, kami berfokus pada kondisi state-of-the-art terbaru simulasi MD untuk metode TBN. Teknologi pemodelan pada berbagai materi dan metode pemesinan baru pertama-tama dibahas. Kemudian, mekanisme metode TBN ditinjau, termasuk analisis gaya pemotongan, analisis penghapusan materi, dan analisis cacat di subsurface. Akhirnya, tantangan yang tersisa dan prospek masa depan dalam simulasi MD TBN juga diberikan dalam tinjauan ini.

Metode Simulasi

Untuk mendapatkan hasil prediksi yang akurat, perlu mengoptimalkan model simulasi dan konfigurasi pemrosesan terkait. Model simulasi terutama berisi konfigurasi atom dan fungsi potensial. Konfigurasi atom dapat dikategorikan menjadi struktur kristal dan amorfa. Atom pada materi kristal seperti tembaga, besi, silikon, dll. tersusun secara teratur dan teratur, sementara materi amorfa seperti polimer terdiri dari rantai molekuler yang tidak teratur. Perilaku materi pada skala nano direpresentasikan dalam simulasi MD melalui fungsi potensial, dan berbagai fungsi potensial telah diajukan dan digunakan untuk mensimulasikan perilaku materi dalam simulasi atomistik. Selain itu, konfigurasi pemrosesan juga harus dipertimbangkan, seperti berbagai kondisi pemesinan dan pendekatan pemesinan. Bagian-bagian berikut akan menyajikan metodologi pembentukan model dan konfigurasi pemrosesan.

Pembentukan Model MD

Konfigurasi atom internal materi kristal bervariasi, seperti tembaga (face-centered cubic), besi (body-centered cubic), titanium (close-packed hexagonal), dan silikon (diamond structure) [27, 28]. Sebagian besar materi kristal berbentuk struktur kristal tunggal dan policristal. Padat kristal tunggal memiliki struktur atom yang berulang secara periodik di seluruh volume-nya tanpa adanya cacat. Duplikasi sel satuan ke semua tiga arah spasial dapat dengan mudah membentuk model kristal tunggal [13]. Saat membentuk model MD atom, berbagai orientasi permukaan harus dipertimbangkan, yang dapat mempengaruhi properti pemesinan workpiece [29,30,31]. Struktur policristal memiliki struktur dengan ukuran butir yang berbeda, yang dibangun mengikuti metode Voronoi tessellation [32]. Materi nanotwined (NT) adalah jenis struktur policristal khusus yang menjadi objek penelitian yang semakin penting karena properti mekanikalnya yang luar biasa, seperti kekuatan ultra-tinggi, duktilitas yang baik, dan keawetan pecahan yang tinggi [33,34,35,36]. Dalam tinjauan ini, metode untuk membangun policristal Cu NT diberikan sebagai contoh [25]: pertama, multilayer yang terdiri dari beberapa lapisan kristal tunggal Cu dengan ketebalan sama dibangun dan TB terbentuk antara lapisan yang berdekatan. Kedua, sudut setiap butir dihitung. Ketiga, policristal NT dengan kondisi batas periodik dihasilkan menggunakan konstruksi Voronoi, yang menaklukkan multilayer dan sudut butir yang didapatkan. Gambar 1a menunjukkan konfigurasi atom tembaga termasuk kristal tunggal Cu, policristal Cu, dan policristal NT Cu, di mana atom diwarnai berdasarkan common neighbor.

Menjelajahi Pemesinan Nano Berdasar Ujung dengan Dinamika Molekuler: Tinjauan Komprehensif

Dalam penelitian sebelumnya, polimer dimodelkan dengan model coarse-grained generik [37, 38]. Sebagai contoh, detail untuk membentuk model polietilena (PE) diberikan sebagai berikut [39]: (i) sistem PE awal dengan 10 rantai molekuler didapatkan dengan menggunakan algoritma random walk self-avoiding Monte Carlo [39]; (ii) atom pertama setiap rantai dimasukkan ke dalam situs yang tersedia pada lattice pada awalnya dan kemudian rantai molekuler mulai tumbuh sepanjang arah tertentu berdasarkan cara probabilistik bertahap sesuai dengan panjang ikatan dan situs yang tidak terisi dalam sel.; (iii) setelah densitas awal diberikan, ukuran kotak simulasi ditentukan. Dalam simulasi kami, dimensi kotak simulasi awal sekitar 80.06 × 80.06 × 80.06 Å³ untuk sistem yang terdiri dari 10 rantai PE. Model MD PE ditunjukkan pada Gambar 1d.

Geometri ujung umumnya kompleks dan bervariasi termasuk bentuk kon [40], piramida segitiga [18] dan hemisfer (bentuk rombuk) [21], yang memainkan peran penting dalam proses TBN. Secara khusus, bentuk alat piramida dalam model MD konsisten dengan itu dalam proses pemesinan AFM dan alat bola konsisten dengan butir penggerus dalam proses gerus; sehingga mekanisme pemesinan dapat lebih baik dijelaskan dengan membandingkan hasil simulasi dengan hasil eksperimen. Dalam sebagian besar kasus, ujung dianggap sangat rigid, yang dicapai dengan mempertahankan posisi relatif atom tetap dan bergerak dengan kecepatan konstan [41].

Pemilihan fungsi energi potensial yang sesuai juga sangat penting karena menentukan kepercayaan hasil simulasi [21]. EAM adalah potensi multibody yang cocok untuk sistem logam [24]. Ia memberikan deskripsi yang lebih realistis terhadap kohesi logam dan menghindari ambiguitas yang diwarisi oleh ketergantungan volume, yang digunakan untuk menggambarkan interaksi antara atom logam, seperti tembaga [42] dan besi [43]. Potensi Tersoff [44] dan Stillinger-Weber (SW) [45] telah terbukti khusus feasible untuk memodelkan materi dengan struktur kubus diamond. Untuk menyelidiki mekanisme Si dalam proses TBN, slip dislokasi dan transformasi fase harus diamati dalam simulasi MD. Dibandingkan dengan potensi Tersoff, potensi SW tidak hanya memiliki fleksibilitas yang cukup untuk menggambarkan sejumlah konfigurasi silikon yang berbeda, tetapi juga memberikan kecocokan terdekat dengan hasil nucleasi dislokasi ab initio pada silikon bebas cacat [46, 47]. Oleh karena itu, fungsi potensial SW mungkin memiliki potensi lebih besar untuk menggambarkan interaksi antara atom silikon. Analytical bond order potential (ABOP), Reactive Empirical Bond Order (REBO), dan Adaptive Intermolecular Reactive Empirical Bond Order (AIREBO) potensial adalah kelas potensi yang memperluas fungsi potensial Tersoff berdasarkan pendekatan tight-binding dan bergantung pada kuantitas dasar [48]. Potensi ABOP ideal untuk interaksi antara atom silikon dan karbon, yang digunakan untuk menyelidiki deformasi materi dan perilaku pengangkatan dalam proses SiC. Potensi REBO sangat populer dalam simulasi karbon dan nanotubus karbon. Model AIREBO dikembangkan untuk mengatasi kekurangan fungsi potensial REBO dengan memberikan perkiraan yang lebih akurat daripada istilah REBO dan juga menambahkan kemampuan untuk memodelkan interaksi yang lebih kompleks [41]. Interaksi antar-molekul dan intra-molekul dalam specimen polistirena digambarkan oleh potensi AIREBO yang sudah terbukti [49].

Sebagian besar simulasi MD dilakukan dengan menggunakan Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator (LAMMPS) [50]. Beberapa model workpiece yang kompleks seperti materi policristal dan nanotwined policristal dapat dilakukan dengan Atomsk [51]. Pembentukan polimer, termasuk atom, ikatan sudut, improper, dan berbagai jenisnya didapatkan dari file data yang dihasilkan dari Material Studio (MS) [52]. Keduanya Open Visualization Tool (OVITO) [53] dan visual molecular dynamics (VMD) [54] adalah alat yang berguna untuk memvisualisasikan model atau proses pemesinan.

Dengan menggunakan simulasi MD, berbagai model materi dapat dibentuk secara efektif. Namun, sebagian besar model workpiece berukuran lebih kecil dari 50 nm × 50 nm × 50 nm, yang dapat menyebabkan penyimpangan dari hasil nyata [40, 55, 56]. Selain itu, masih kurang fungsi potensial yang dapat secara efektif menggambarkan beberapa materi seperti GaAs dan Lu₂O₃. Oleh karena itu, model MD dan fungsi potensial terkait masih perlu dioptimalkan untuk menggambarkan proses simulasi secara lebih akurat.

Konfigurasi Pemrosesan

Dalam eksperimen TBN, mode load-controlled biasanya dilakukan dengan menerapkan beban normal konstan pada ujung. Mode ini telah terbukti memiliki presisi yang lebih tinggi, terutama saat melakukan pemesinan nano pada permukaan miring atau lengkungan. Namun, banyak simulasi MD proses TBN dilakukan dalam mode displacement-controlled, yang dapat menyebabkan perbedaan antara simulasi dan eksperimen [18, 57]. Oleh karena itu, beberapa ahli telah melakukan simulasi MD proses nanoscratching load-controlled dengan langsung menerapkan beban normal konstan pada probe [20, 58]. Dalam proses pemesinan, dapat dibagi menjadi tiga bagian: tahap relaksasi, tahap penetrasi, dan tahap scratching. Selain itu, ujung tidak sepenuhnya tegak lurus terhadap workpiece karena lenturan balok mikroskop gaya atom (AFM), substrat dengan sudut kemiringan, serta kekasaran permukaan sampel. Oleh karena itu, efek kemiringan ujung tidak boleh diabaikan. Liu et al. memilih ujung dengan berbagai sudut kemiringan untuk menyelidiki efek kemiringan ujung terhadap hasil pemesinan [59]. Selain itu, aus ujung adalah faktor kunci dalam proses pemesinan, yang memiliki pengaruh besar terhadap kualitas pemesinan. Nanoscratching dengan pelapisan air sebagai pelumas dapat mengurangi aus ujung untuk meningkatkan umur alat dan menjamin kualitas pemesinan. Namun, mekanisme pemesinan yang dipengaruhi oleh pelapisan air sebagai pelumas masih tidak dipahami dengan baik. Untuk mengatasi hal ini, Ren et al. menggunakan metode simulasi MD untuk menyelidiki efek pelapisan air terhadap hasil pemesinan dengan tembaga monokristal [60].

Proses single scratch telah terbukti menjadi metode mudah untuk memfabrikasi nanogroove, tetapi memiliki keterbatasan pada dimensi selokan. Metode scratching multi-pass diajukan untuk memperbesar ukuran nanogroove [62]. Geng et al. telah mempelajari perbedaan antara pendekatan single-pass dan multi-pass dengan simulasi MD dan hasil eksperimen [20]. Keduanya pendekatan single-pass dan multi-pass dapat dianggap sebagai litografi ploughing statis, yang dilakukan dengan mode kontak sistem AFM. Namun, litografi ploughing statis dapat menginduksi aus ujung yang tidak dapat diabaikan saat melakukan proses scratching jarak jauh. Teknik pemesinan berbasis tapping mode disebut sebagai litografi ploughing dinamis, yang memiliki potensi untuk mengurangi aus ujung. Gambar 2 menunjukkan skematis litografi ploughing statis dan dinamis pada tembaga kristal tunggal, masing-masing. Untuk ploughing statis, ujung diamond pertama-tama diturunkan ke bawah dan kemudian mulai menggerusalong arah negatif sumbu x. Setelah ploughing selesai, ujung ditarik ke atas ke posisi vertikal asli. Untuk proses ploughing dinamis, ujung diamond bergerak along kurva sinusoidal dengan amplitudo puncak-lambung yang runcing dan periode [19]. Berdasarkan prinsip teknik pemesinan berbasis tapping mode, Sundaram et al. telah mengembangkan metode pemesinan nano baru menggunakan AFM, yang disebut Vibration-Assisted Nano Impact machining by Loose Abrasives (VANILA). Dalam metode ini, AFM digunakan sebagai platform dan nanoabrasive diinjeksi dalam slurry antara workpiece silikon dan getaran ujung AFM. Energi kinetik untuk abrasive dihasilkan oleh getaran ujung AFM dan sebagai hasilnya mengakibatkan pengangkatan materi skala nano dari sampel [61]. Representasi skematis proses VANILA ditunjukkan pada Gambar 2b, c.

Analisis Hasil Simulasi

Analisis Gaya Pemotongan

Gaya pemotongan dapat mencerminkan proses pengangkatan materi dan evolusi cacat dengan jelas, yang merupakan parameter fisika penting untuk memahami fenomena pemotongan [19, 63, 64]. Selain itu, gaya pemotongan berkaitan erat dengan daya pemotongan dan umur alat, yang dapat memberikan pedoman dalam proses pemesinan TBN [65]. Dalam proses TBN, gaya pemotongan terutama dievaluasi dengan metode kalibrasi gaya, tetapi gaya lateral tidak dapat diperoleh dengan metode ini [66, 67]. Dengan menggunakan teknologi dinamika molekuler, variasi gaya pemotongan termasuk gaya lateral dan tangential dapat diamati secara real-time untuk seluruh proses [68]. Selain itu, gaya rata-rata dan gaya resultan juga dapat diperoleh melalui metode simulasi MD.

Melalui analisis variasi gaya pemotongan, perbedaan berbagai struktur materi dan pengaruh parameter pemesinan terhadap proses TBN dapat tercermin. Li et al. menemukan gaya yang lebih tinggi untuk scratching pada policristal Cu dibandingkan dengan kristal tunggal Cu disebabkan oleh fakta bahwa anisotropi butir permukaan memiliki pengaruh yang sedikit antara workpiece dan ujung ketika ujung bergerak dari satu butir ke butir lain dengan orientasi kristal yang berbeda, sementara aliran plastik stabil ditunjukkan dalam pengangkatan materi kristal tunggal Cu karena sistem orientasi tunggalnya [25]. Juga ditemukan bahwa gaya pemotongan untuk berbagai struktur kristal meningkat dengan peningkatan kecepatan pemotongan karena kecepatan nanoscratching yang lebih tinggi menghasilkan lebih banyak chip [69]. Sebaliknya, perubahan gaya pemotongan menunjukkan perilaku yang berbalik dalam proses scratching SiC, karena kecepatan yang lebih tinggi dapat menghasilkan lebih banyak atom struktur kristal amorfa, yang membuat materi SiC lebih duktil dan lebih mudah untuk diangkat [70]. Yan et al. menyelidiki prosesabilitas bilapis Cu/Ni menggunakan metode simulasi MD dan menemukan gaya bilapis Ni-Cu lebih tinggi dibandingkan dengan Cu, Ni, dan bilapis Cu-Ni, karena gerakan dislokasi terhambat oleh antarmuka bilapis yang berfungsi sebagai penghambat propagasi [71]. Mengenai polimer amorfa, properti pemesinan dipengaruhi oleh kecepatan scratching dalam tiga aspek berbeda sebagai berikut [72]: pertama, ketinggian pile-up yang lebih besar di depan ujung yang dihasilkan pada kecepatan yang lebih tinggi menyebabkan gaya tangential yang lebih besar karena lebih banyak resistensi terhadap ujung. Kemudian, kecepatan yang lebih tinggi menghasilkan laju deformasi yang lebih tinggi, yang dapat menyebabkan strain hardening materi. Ini juga akan menyebabkan peningkatan gaya pemotongan. Terakhir, dengan peningkatan kecepatan, efek thermal softness memungkinkan workpiece untuk dipemesinan lebih mudah, mengurangi gaya tangential dan gaya normal. Dalam proses pemesinan polimer, gaya pemotongan meningkat dengan peningkatan kecepatan, menunjukkan bahwa efek pile-up dan strain rate hardening memainkan peran yang lebih penting dalam menentukan gaya scratching. Selain pengaruh materi workpiece, geometri ujung juga memainkan peran penting dalam proses pemesinan [18, 73, 74]. Ren et al. menyelidiki efek sudut ujung terhadap gaya pemotongan dengan ujung bentuk kon. Ditemukan bahwa gaya meningkat dengan peningkatan sudut semi-apex karena pertumbuhan area kontak antara ujung dan materi workpiece [21]. Selain itu, koefisien gesekan menurun secara signifikan dengan semi-apex, sementara kekerasan meningkat [75].

Beberapa ahli juga menyelidiki variasi gaya pemotongan dalam kondisi pemesinan tertentu. Ren et al. menganalisis korelasi antara ketebalan lapisan air dan gaya scratching. Variasi gaya scratching dengan perubahan ketebalan lapisan air ditunjukkan pada Gambar 3. Berbeda dengan proses macroscratching di mana lapisan air terutama berperan sebagai pelumas dan pengurang gaya pemotongan, resistensi lapisan air mendominasi dibandingkan dengan efek pelumasan dan lapisan air yang lebih tebal menghasilkan gaya pemotongan total yang lebih besar [60]. Selain itu, efek kemiringan ujung juga dibahas melalui analisis kekerasan (gaya normal per atom) dan koefisien gesekan [59]. Hasilnya menunjukkan bahwa kekerasan normal lebih sensitif dalam arah maju atau mundur dibandingkan dan efek kemiringan ujung secara lateral dapat diabaikan. Selain itu, efek kemiringan pada gaya normal adalah alasan utama perubahan koefisien gesekan dan efek kemiringan pada gaya scratch jauh lebih kecil daripada efek pada gaya normal.

Dengan membandingkan gaya pemotongan antara ploughing statis dan dinamis, perbedaan mekanisme dapat terungkap. Gaya pemotongan dalam litografi ploughing dinamis berosilasi drastis dengan getaran periodik ujung diamond, sementara fluktuasi ringan diamati dalam ploughing statis. Selain itu, gaya pemesinan rata-rata dalam ploughing dinamis lebih kecil dari setengah dari ploughing statis, menunjukkan aus ujung yang lebih kecil dalam litografi ploughing dinamis [19]. Dalam proses ploughing dinamis, orientasi ujung memiliki pengaruh besar terhadap gaya pemotongan. Yan et al. menggabungkan kedalaman selokan dan gaya ploughing untuk membandingkan efisiensi pemesinan. Hasilnya menunjukkan bahwa sideface-forward ujung memiliki efisiensi terbaik karena memiliki gaya ploughing yang mirip dengan orientasi face-forward ujung tetapi pada saat yang sama lebih dari dua kali kedalaman selokan [63]. Melalui analisis gaya pemotongan, mekanisme proses pemesinan TBN dengan berbagai materi dan kondisi pemesinan dapat dijelaskan lebih lanjut. Selain itu, perbandingan gaya pemotongan dalam berbagai mode pemrosesan dapat memberikan pedoman untuk optimasi proses pendekatan TBN.

Analisis Keadaan Pengangkatan Materi

Analisis keadaan pengangkatan materi juga merupakan metode penting untuk mengungkap mekanisme pendekatan TBN. Pengangkatan materi dan topografi dalam proses pemesinan biasanya diamati melalui mikroskop elektron pemindai (SEM) dan AFM. Namun, morfologi selokan dan keadaan pengangkatan hanya dapat terdeteksi setelah pemrosesan dan proses pengangkatan materi tidak dapat dipahami secara dinamis. Baru-baru ini, Zhang et al. menggunakan alat pemotongan linear yang langsung terhubung ke SEM untuk melihat proses pembentukan chip dalam pemotongan materi, sementara metode ini rumit dan SEM harus dimodifikasi [76]. Oleh karena itu, metode ini sulit untuk digeneralisasi. Dibandingkan dengan metode eksperimen, metode simulasi MD dapat dengan mudah digunakan untuk mengeksplorasi mekanisme pengangkatan materi dan pembentukan permukaan pada skala nano, dan proses pemesinan dapat diamati secara real-time melalui metode MD.

Diketahui dari hasil simulasi MD proses TBN bahwa keadaan deformasi diklasifikasikan menjadi keadaan ploughing dan keadaan pemotongan. Dengan gerakan ujung, atom materi workpiece di depan ujung ditekan dan kemudian menumpuk untuk membentuk chip kontinu selama keadaan pemotongan. Secara bersamaan, ada juga beberapa atom materi workpiece yang menumpuk di kiri dan kanan sisi selokan yang dibuat setelah lewat ujung [57]. Dengan membandingkan rasio keadaan pemotongan terhadap keadaan non-pemotongan, kita dapat mengetahui apakah keadaan pemotongan atau keadaan ploughing yang mendominasi ketika berbagai radius ujung digunakan untuk menggerus pada kedalaman scratching yang berbeda [77]. Beberapa tahun terakhir, banyak ahli telah lebih lanjut menyelidiki properti materi pada keadaan pengangkatan materi. Sebagai contoh, materi kristal tunggal menunjukkan anisotropi dalam proses TBN, yang memiliki pengaruh besar terhadap pengangkatan materi [20]. Dibandingkan dengan materi kristal tunggal, batas butir memiliki efek penting pada properti mekanikal materi policristal. Gao et al. menemukan bahwa orientasi butir, bukan ukuran butir, juga mendominasi dalam menentukan profil pile-up [78]. Selain itu, geometri ujung juga memiliki efek yang kuat pada pengangkatan materi. Tiga jenis ujung (konis, piramida segitiga, dan ujung hemisfer) dipilih untuk mengungkap efek geometri ujung terhadap keadaan pengangkatan materi. Untuk ujung konis, ada ketergantungan yang jelas pada sudut semi-apex. Dengan sudut semi-apex ujung yang lebih besar menghasilkan lebih banyak volume chip dan meningkatkan kehalusan permukaan scratching, tetapi memerlukan gaya scratching yang lebih tinggi, menghasilkan koefisien gesekan yang lebih besar dan suhu yang lebih tinggi pada workpiece, serta meningkatkan kerusakan subsurface [40]. Alhafez juga menyelidiki efek sudut semi-apex pada pembentukan pile-up [75]. Ditemukan bahwa saat menggerus dengan sudut semi-apex ujung yang kecil, pile-up sebagian besar menumpuk dalam arah maju, sementara pile-up lateral mendominasi untuk kondisi pemesinan dengan sudut semi-apex ujung yang besar. Beberapa studi berfokus pada ujung piramida segitiga yang konsisten dengan geometri sebenarnya ujung dalam proses pemesinan berbasis AFM [19, 20, 63, 79]. Tiga arah pemesinan terutama dibandingkan, yaitu edge-forward, face-forward, dan sideface-forward. Dalam proses pemesinan SiC, keadaan pengangkatan materi dapat dikontrol dengan sederhana dengan menyesuaikan arah scratching alat. Arah scratching edge-forward dapat memberikan proses yang lebih stabil, yang dapat menghasilkan akurasi ukuran dan konsistensi selokan yang lebih baik [79]. Namun, keadaan pengangkatan materi polimer lebih sensitif terhadap suhu dibandingkan dengan materi logam atau semiconductor. Durante proses scratching, suhu lokal di zona scratching lebih tinggi dari suhu transisi kaca, yang menunjukkan bahwa workpiece di zona scratching dapat diangkat dengan cara duktil [72]. Zhan et al. menyelidiki mekanisme gesekan mikroskopis polistirena amorfa. Mereka menemukan bahwa fleksibilitas rantai molekuler meningkat dengan peningkatan suhu, yang memungkinkan rantai molekuler untuk lebih mudah melingkar dan kembali ke kondisi aslinya [56]. Du et al. menemukan bahwa kecepatan pemesinan memiliki pengaruh besar terhadap hasil pemesinan polistirena. Perubahan intra-rantai mendominasi deformasi permanen specimen polistirena saat kecepatan pemesinan kecil, sementara geser antar-rantai lebih jelas saat kecepatan pemesinan besar [80].

Seperti yang dapat dilihat dari diskusi di atas, sebagian besar studi terutama berfokus pada kondisi kering alih-alih fluida. Namun, atom yang menumpuk di depan alat berkurang dan burr di sepanjang selokan tidak terlihat dengan ketebalan lapisan air yang tinggi dan kekasaran permukaan menurun secara terlihat dan menghasilkan permukaan yang relatif halus. Ini dapat dijelaskan bahwa lapisan air bertindak sebagai pelumas untuk mengurangi area menempel antara alat dan permukaan chip yang baru terbentuk dan mengurangi gaya drag yang ditampilkan pada batas chip-alat. Konsekuensi langsungnya adalah kualitas permukaan meningkat secara besar-besaran. Dengan peningkatan ketebalan lapisan air, kualitas permukaan dapat ditingkatkan secara bertahap [60]. Dalam beberapa pendekatan pemesinan baru, Shockly et al. menyelidiki efek parameter (kecepatan impak, sudut impak, dan suhu operasi) dalam pemesinan nanoimpak yang dihasilkan getaran terhadap pembentukan nanocavity dan ditemukan bahwa parameter operasi memiliki pengaruh signifikan terhadap kedalaman dan lebar nanocavity yang dihasilkan seperti ditunjukkan pada Gambar 4 [61]. Xiao et al. menemukan kedalaman dan lebar selokan dalam proses ploughing dinamis lebih kecil daripada dalam proses ploughing statis, yang berarti struktur nano dengan fitur kecil dapat difabrikasi melalui litografi ploughing dinamis. Selain itu, dimensi selokan dapat dikontrol oleh rasio amplitudo drive dalam proses ploughing dinamis, dan ini menunjukkan bahwa pembuatan selokan juga dapat dikontrol [19].

Selama proses pengangkatan materi, perilaku aus ada pada ujung. Dalam sebagian besar studi sebelumnya, ujung didefinisikan sebagai badan rigid, yang berarti fenomena aus alat tidak dapat diamati secara langsung [13]. Banyak ahli menyelidiki aus alat dengan mempelajari keadaan pengangkatan materi, stres, dan distribusi suhu [70, 77]. Untuk mencerminkan fenomena aus nyata ujung selama proses pemesinan, Meng et al. menetapkan ujung sebagai badan deformable dan menemukan perilaku aus ujung selama proses pemesinan [81]. Hasilnya menunjukkan bahwa bentuk aus abrasive diamond terutama aus adhesif pada tahap awal dan aus atom demi atom pada tahap stabil pemrosesan dan jumlah aus atom demi atom abrasive tidak terlalu dipengaruhi oleh kecepatan pemotongan [81]. Perlu diperhatikan bahwa terdapat relatif sedikit laporan tentang perilaku aus ujung. Diharapkan, penggunaan badan deformable ujung diharapkan dapat lebih mempromosikan penyelidikan perilaku aus ujung selama proses pemesinan nano.

Analisis keadaan pengangkatan materi memberikan dukungan yang efektif untuk pemantauan proses pemesinan secara real-time. Namun, karena keterbatasan skala panjang seperti yang disebutkan di atas, morfologi permukaan yang diproses dan proses pengangkatan materi hanya dapat dianalisis dengan perbandingan kualitatif. Sulit untuk memprediksi hasil pemrosesan yang akurat.

Analisis Proses Evolusi Cacat

Untuk mendapatkan informasi tentang cacat yang dihasilkan selama proses scratching, TEM biasanya digunakan setelah teknik persiapan sampel FIB, yang memiliki beberapa kekurangan, seperti operasi yang relatif rumit, biaya tinggi, dan ketergantungan materi yang kuat.

Metode simulasi MD dapat dengan mudah mendapatkan cacat yang dihasilkan di bawah permukaan sampel. Selain itu, proses evolusi cacat selama scratching juga dapat diamati dengan menggunakan pendekatan simulasi MD, yang tidak dapat diperoleh oleh metode eksperimen. Banyak algoritma yang tersedia untuk mengekstrak jenis cacat telah diajukan, termasuk common neighbor analysis (CNA) [82], centro-symmetry parameter (CSP) [83], slip vector analysis [84], Ackland-Jones analysis [85], dll. Namun, metode ini tidak cocok untuk melacak propagasi dislokasi, terutama ketika sejumlah besar dislokasi dihasilkan oleh scratching ujung along arah tertentu, dan kita tidak lagi dapat menyelidiki apa yang terjadi di dalam specimen menggunakan metode ini [86]. Chen et al. menyajikan analisis slip untuk memvisualisasikan proses slip atom untuk deformasi materi, yang dapat memfilter atom yang telah slip relatif terhadap atom tetangganya selama periode waktu tertentu dalam kondisi dengan sejumlah besar atom [86]. Dengan menggunakan metode ini, Xiao et al. menyelidiki proses slip selama litografi ploughing dinamis dan statis [19]. Hubungan antara gaya pemotongan dan proses slip ditunjukkan pada Gambar 5. Terlihat bahwa untuk ploughing dinamis, materi sampel terutama mengalir ke bawah dan ke sisi, sedangkan aliran materi ke bawah yang jelas tidak diamati dalam proses ploughing statis. Selain itu, propagasi dislokasi bergantung pada orientasi ujung, yang mengakibatkan berbagai morfologi selokan. Dislocation extraction algorithm (DXA) juga merupakan alat analisis dislokasi yang berguna untuk mengidentifikasi dislokasi lattice dan menentukan Burger vector mereka [87]. Dengan menggunakan metode ini, Gao et al. menyelidiki perilaku nanoscratching besi. Mereka menemukan reorganisasi yang jelas dari jaringan dislokasi. Pada awalnya, zona plastis tumbuh secara linear dengan panjang scratching along jalur. Kemudian, densitas dislokasi menurun dengan cepat setelah beberapa panjang reaksi dislokasi. Aktivitas plastis kemudian terkonsentrasi hanya di depan scratch. Hanya sedikit dislokasi yang tersisa di tengah scratch. Kekosongan dalam zona ini diciptakan oleh reaksi dislokasi. Juga ditemukan bahwa cacat titik kekosongan dihasilkan oleh reaksi dislokasi dan twinning deformasi [88].

Untuk materi policristal, mekanisme deformasi diperankan oleh nucleasi dislokasi di dalam interior butir serta dislokasi batas butir dalam materi policristal [43]. Sementara propagasi dislokasi terkait dengan pembentukan nanovoids dan kluster interstisial dalam kasus ukuran butir yang lebih besar, dan pembentukan twin di batas butir mendominasi untuk kluster yang lebih kecil. Perilaku ini disebabkan oleh transisi gerakan dislokasi dari halus (butir lebih besar) menjadi kasar (butir lebih kecil) selama proses scratching. Li lebih lanjut menyimpulkan perbedaan mekanisme deformasi materi tentang kristal tunggal Cu, policristal Cu, dan policristal NT Cu. Hasilnya menunjukkan bahwa deformasi plastis terutama dipengaruhi oleh interaksi antara dislokasi selama proses scratching dalam kristal tunggal Cu; sementara untuk policristal Cu baik dislokasi dan GB mendominasi deformasi plastis; dan deformasi plastis dikontrol oleh interaksi dislokasi, batas butir (GB), dan batas twin (TB) disertai twinning/detwinning [25].

Selanjutnya, banyak studi berfokus pada simulasi MD proses TBN pada materi semiconductor, seperti silikon, silikon karbida, arsenida galium, dan nitrida aluminium. Untuk menyelidiki materi rapuh ini, transformasi fase juga merupakan mode deformasi yang penting selain slip dislokasi [89]. Interaksi antara dislokasi dan transformasi fase bervariasi dengan orientasi kristal. Hasilnya menunjukkan bahwa sebelum peristiwa “Pop-In”, Si (010) mengalami deformasi inelastis disertai dengan transformasi fase dari Si-I ke Si-III/Si-XII, yang tidak terjadi pada Si (110) dan Si (111). Sementara itu, transformasi fase dari Si-I ke bct-5 adalah mekanisme dominan dari kemunculan plastisitas awal untuk setiap orientasi kristalografi, dan nucleasi dislokasi juga merupakan mode deformasi yang beroperasi dalam transisi elastis-plastis Si (010). Dai et al. menyelidiki mekanisme kerusakan subsurface pada kristal tunggal silikon selama proses TBN. Ditemukan bahwa evolusi fase kristal konsisten dengan distribusi stres hidrostatis dan suhu [40]. SiC juga merupakan jenis materi semiconductor penting, yang memiliki properti serupa dengan silikon. Proses pengangkatan materi SiC dicapai melalui transfer fase dari zinc blended ke struktur amorfa dengan beberapa struktur diamond heksagonal. Kecepatan scratching yang lebih tinggi menghasilkan lebih banyak atom struktur amorfa, lebih sedikit atom diamond heksagonal, dan lebih sedikit atom dislokasi karena impak yang lebih besar dan waktu rearrange yang lebih sedikit [90]. Sementara Meng et al. menemukan ketika transisi fase bukan mekanisme deformasi yang dominan, metode koefisien Schmidt dapat secara efektif memprediksi gerakan geser 3C-SiC selama proses TBN (gerakan geser elastis dan gerakan slip dislokasi) [79]. Selanjutnya, Meng et al. lebih lanjut mempelajari efek laju regangan dan efek panas terhadap mekanisme pengangkatan SiC. Mereka menemukan bahwa efek laju regangan dan efek thermal softening secara langsung mempengaruhi jumlah dan bentuk kerusakan subsurface (SSD). Pengaruh efek thermal softening terhadap stres di daerah pemrosesan dalam kondisi laju regangan tinggi melebihi pengaruh penurunan laju pertumbuhan kecepatan generasi dislokasi. Proses pengangkatan SiC policristal didominasi oleh transisi fase amorfa. Selanjutnya, beberapa atom struktur diamond heksagonal dan dislokasi ditemukan di GB selama scratching. Kecepatan scratching yang lebih tinggi dan kedalaman pemotongan yang lebih besar mempromosikan lebih banyak atom untuk transfer ke struktur amorfa karena impak yang lebih besar [81]. Dibandingkan dengan SiC monokristal, mikrostruktur dalam policristal membuat SiC lebih lembut dengan menghasilkan gaya scratching normal yang lebih kecil dan transisi fase struktur amorfa serta SSD deformasi plastis yang lebih tipis [91]. Analisis propagasi dislokasi dan transisi fase dapat menjelaskan mekanisme dalam proses pemesinan. Namun, sebagian besar penelitian berfokus pada materi kristal tunggal dan materi dengan struktur kompleks jarang dilaporkan, yang harus diteliti lebih lanjut.

Arah Penelitian Masa Depan dan Tantangan

Saat ini, penelitian tentang proses TBN melalui simulasi MD banyak dilaporkan. Namun, masih ada beberapa keterbatasan yang harus dipertimbangkan. Oleh karena itu, arah masa depan dibahas dalam tinjauan ini.

Seiring perkembangan metode TBN, beberapa teknologi baru telah diajukan dalam bidang ini. Sebagai contoh, proses nanomilling berbasis ujung AFM memiliki prospek luas karena kinerja pemesinan dan properti kontrol ukuran yang luar biasa [92, 93]. Namun, mekanisme nanomilling belum sepenuhnya dipahami karena keterbatasan alat deteksi. Dengan menggunakan simulasi MD, diharapkan variasi gaya pemotongan, perubahan dinamis cacat, dan keadaan pengangkatan materi workpiece selama proses rotasi ujung dapat ditetapkan. Selain itu, metode nanoscratching yang dihasilkan getaran sampel belum pernah dilaporkan. Pendekatan simulasi MD dapat memberikan pedoman yang bermakna pada tahap awal.
Karena keterbatasan skala panjang dan waktu, metode MD masih tidak dapat sepenuhnya menggambarkan proses eksperimen secara kuantitatif. Dalam beberapa studi yang menggabungkan eksperimen dan simulasi MD, pendekatan simulasi MD hanya dapat secara kualitatif menjelaskan fenomena eksperimen [19, 20, 94]. Secara khusus, untuk beberapa materi yang bergantung pada waktu seperti polimer amorfa, kecepatan probe memiliki dampak yang signifikan terhadap keadaan pengangkatan polimer. Oleh karena itu, untuk memprediksi proses eksperimen secara akurat dan menganalisis hasil eksperimen secara kuantitatif, perbaikan algoritma dan kapasitas komputasi sangat diperlukan.
Banyak struktur nano telah dicapai pada materi polimer menggunakan metode TBN [95,96,97]. Secara khusus, proses pemesinan mekanis materi polimer berbasis metode TBN mempertahankan beban normal konstan untuk menjamin akurasi struktur nano yang diproses [98]. Namun, laporan simulasi MD polimer dalam proses TBN masih terbatas sampai saat ini. Selain itu, litografi probe skaning termal sedang berkembang dalam polimer, yang memiliki potensi untuk meningkatkan akurasi pemesinan proses TBN. Diperlukan untuk mengungkap mekanisme pengangkatan materi polimer saat melakukan proses scratching skala nano dengan efek mekanis-termal.

Kesimpulan

Tidak dapat diabaikan bahwa teknologi simulasi MD memainkan peran yang semakin penting dalam proses pemesinan nano untuk mengungkap fenomena yang sebelumnya tidak diketahui [99]. Tinjauan ini merangkum progres terbaru dalam simulasi MD metode TBN, dan isi di atas diringkas sebagai berikut:

Pembentukan model MD berbagai materi dan fungsi potensial terkait dirangkum. Secara khusus, proses pemodelan materi policristal NT dan polimer amorfa dibahas dalam bagian ini. Akurasi model MD sangat signifikan untuk hasil simulasi selanjutnya.
Teknologi baru metode TBN, termasuk multi-scratching, ploughing dinamis, dan VANILA disajikan. Dengan bantuan simulasi MD, mekanisme metode ini dapat lebih dipahami. Secara khusus, perbedaan mendasar antara ploughing statis dan dinamis terungkap oleh metode MD dari aspek cacat internal, morfologi, dan gaya pemotongan.
Analisis simulasi MD dalam proses TBN, termasuk gaya pemotongan, keadaan pengangkatan materi, dan analisis cacat juga dirangkum. Selain itu, beberapa metode analisis baru seperti analisis slip juga diberikan. Dengan metode ini, mekanisme pemrosesan berdasarkan pendekatan ditinjau, yang menunjukkan ketergantungan materi pada proses pemesinan TBN.

Singkatan

TBN:: Pemesinan Nano Berdasar Ujung
AFM:: Mikroskop Gaya Atom
MD:: Dinamika Molekuler
NT:: Nanotwined
PE:: Polietilena
EAM:: Metode Atom Terbenam
SW:: Stillinger-Weber
ABOP:: Analytical Bond Order Potential
REBO:: Reactive Empirical Bond Order
AIREBO:: Adaptive Intermolecular Reactive Empirical Bond Order
LAMMPS:: Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator
MS:: Material Studio
OVITO:: Open Visualization Tool
VMD:: Visual Molecular Dynamics
VANILA:: Vibration-Assisted Nano Impact Machining by Loose Abrasives
SEM:: Mikroskop Elektron Pemindai
CNA:: Common Neighbor Analysis
CSP:: Centro-symmetry Parameter
DXA:: Dislocation Extraction Algorithm
GB:: Grain Boundary
TB:: Twin Boundary
SSD:: Subsurface Damage

TFET SiGe Berbentuk Fin Tanpa Doping dengan Arus On Tinggi dan Rasio Pengalihan 12-Orde Sensor Suhu Fleksibel Tepat Tinggi untuk Pemantauan Tubuh Manusia: Tinjauan Komprehensif

bahan nano