Studi Dinamika Molekuler tentang Pemesinan Nano Berbasis Tip:Tinjauan

Analisis Hasil Simulasi

Analisis Gaya Potong

Gaya pemotongan dapat dengan jelas mencerminkan proses pemindahan material dan cacat evolusi, yang merupakan parameter fisik penting untuk memahami fenomena pemotongan [19, 63, 64]. Selain itu, gaya potong terkait erat dengan daya potong dan umur pahat, yang dapat memberikan panduan dalam proses pemesinan TBN [65]. Dalam proses TBN, gaya potong terutama dievaluasi dengan metode kalibrasi gaya, tetapi gaya lateral tidak dapat diperoleh dengan metode ini [66, 67]. Dengan menggunakan teknologi dinamika molekul, variasi gaya potong termasuk gaya lateral dan tangensial dapat diamati secara real-time untuk keseluruhan proses [68]. Selain itu, gaya rata-rata dan gaya resultan juga dapat diambil melalui metode simulasi MD.

Meskipun analisis variasi gaya potong, perbedaan berbagai struktur material dan pengaruh parameter pemesinan pada proses TBN dapat dicerminkan. Li dkk. menemukan kekuatan yang lebih tinggi untuk menggores pada Cu polikristalin dibandingkan dengan kristal tunggal Cu dikaitkan dengan fakta bahwa anisotropi butir permukaan memiliki sedikit efek antara benda kerja dan ujung ketika ujung berpindah dari satu butir ke butir lain dengan orientasi kristal yang berbeda, sedangkan aliran plastis yang stabil ditunjukkan dalam penghilangan material kristal tunggal Cu karena sistem orientasi tunggalnya [25]. Ditemukan juga bahwa gaya potong untuk struktur kristal yang berbeda meningkat dengan peningkatan kecepatan potong karena kecepatan penggoresan nano yang lebih tinggi menghasilkan lebih banyak chip [69]. Sebaliknya, perubahan gaya potong memberikan perilaku yang merugikan dalam proses penggoresan SiC, karena kecepatan yang lebih tinggi dapat menghasilkan atom struktur kristal yang lebih amorf, yang membuat material SiC lebih ulet dan lebih mudah untuk dihilangkan [70]. Yan dkk. menyelidiki kemampuan proses bilayer Cu/Ni menggunakan metode simulasi MD dan menemukan kekuatan bilayer Ni-Cu lebih tinggi dibandingkan dengan Cu, Ni, dan bilayer Cu-Ni, karena pergerakan dislokasi terhambat oleh antarmuka bilayer yang berfungsi sebagai penghalang propagasi [71]. Mengenai polimer amorf, sifat pemesinan dipengaruhi oleh kecepatan penggoresan dalam tiga aspek yang berbeda sebagai berikut [72]:pertama, tinggi tumpukan yang lebih besar di depan ujung yang dihasilkan pada kecepatan yang lebih tinggi menyebabkan gaya tangensial yang lebih besar karena lebih resistensi terhadap ujung. Kemudian, kecepatan yang lebih tinggi menyebabkan laju deformasi yang lebih tinggi, yang dapat menyebabkan pengerasan regangan material. Ini juga akan menyebabkan peningkatan gaya potong. Akhirnya, dengan peningkatan kecepatan, efek kelembutan termal memungkinkan benda kerja untuk dikerjakan dengan lebih mudah, mengurangi gaya tangensial dan gaya normal. Dalam proses pemesinan polimer, gaya potong meningkat dengan bertambahnya kecepatan, menunjukkan bahwa efek pengerasan tumpukan dan laju regangan memainkan peran yang lebih penting dalam menentukan gaya gores. Selain pengaruh material benda kerja, geometri tip juga berperan penting dalam proses pemesinan [18, 73, 74]. Ren dkk. menyelidiki pengaruh sudut ujung pada gaya potong dengan ujung berbentuk kerucut. Ditemukan bahwa gaya meningkat dengan meningkatnya sudut semi-apex karena pertumbuhan bidang kontak antara bahan ujung dan benda kerja [21]. Selain itu, koefisien gesekan menurun tajam dengan semi-apex, sedangkan kekerasan meningkat [75].

Beberapa ahli juga menyelidiki variasi gaya potong dalam kondisi pemesinan tertentu. Ren dkk. menganalisis korelasi antara ketebalan lapisan air dan gaya gores. Variasi gaya gores dengan perubahan ketebalan lapisan air ditunjukkan pada Gambar. 3. Berbeda dengan proses penggoresan makro di mana lapisan air terutama berperan sebagai pelumas dan pengurangan gaya potong, ketahanan lapisan air lebih dominan dibandingkan dengan efek pelumasan dan lapisan air yang lebih tebal menyebabkan gaya pemotongan total yang lebih besar [60]. Selain itu, pengaruh kemiringan ujung juga dibahas dengan analisis kekerasan (gaya normal per atom) dan koefisien gesekan [59]. Hasil penelitian menunjukkan bahwa kekerasan normal lebih sensitif dalam arah maju atau mundur dibandingkan dan efek kemiringan ujung lateral dapat diabaikan. Selain itu, efek kemiringan pada gaya normal adalah alasan utama perubahan koefisien gesekan dan efek kemiringan pada gaya gores jauh lebih kecil daripada efek pada gaya normal.

a Variasi gaya gores rata-rata dengan perubahan ketebalan lapisan air:a gaya tangensial dan b kekuatan normal [60]

Dengan membandingkan gaya potong antara bajak statis dan bajak dinamis, perbedaan mekanisme dapat terungkap. Gaya pemotongan dalam litografi pembajakan dinamis berosilasi secara drastis dengan ketukan berkala pada ujung intan, sementara sedikit fluktuasi diamati pada pembajakan statis. Selain itu, gaya pemesinan rata-rata dalam pembajakan dinamis lebih kecil dari setengahnya pada pembajakan statis, menunjukkan lebih sedikit keausan ujung pada litografi pembajakan dinamis [19]. Dalam proses pembajakan dinamis, orientasi ujung memiliki pengaruh yang besar terhadap gaya potong. Yan dkk. menggabungkan kedalaman alur dan kekuatan pembajakan untuk membandingkan efisiensi pemesinan. Hasil penelitian menunjukkan bahwa tip menghadap ke depan memiliki efisiensi terbaik karena memiliki gaya pembajakan yang sama dengan orientasi menghadap ke depan tip tetapi pada saat yang sama lebih dari dua kali kedalaman alur [63]. Melalui analisis gaya potong, mekanisme proses pemesinan TBN dengan berbagai material dan kondisi pemesinan dapat dijelaskan lebih lanjut. Selain itu, perbandingan gaya potong dalam berbagai mode pemrosesan dapat memberikan panduan untuk optimasi proses pendekatan TBN.

Analisis Status Penghapusan Material

Analisis keadaan penyisihan material juga merupakan metode penting untuk mengungkap mekanisme pendekatan TBN. Penghapusan material dan topografi dalam proses pemesinan biasanya diamati melalui pemindaian mikroskop elektron (SEM) dan AFM. Namun, morfologi alur dan keadaan penyisihan hanya dapat dideteksi setelah pemrosesan dan proses pemindahan material tidak dapat dipahami secara dinamis. Baru-baru ini, Zhang dkk. menggunakan alat pemotong linier yang terhubung langsung ke SEM untuk melihat proses pembentukan chip pada pemotongan material, sedangkan metode ini rumit dan SEM harus dimodifikasi [76]. Dengan demikian, metode ini sulit untuk digeneralisasi. Dibandingkan dengan metode eksperimental, metode simulasi MD dapat dengan mudah digunakan untuk mengeksplorasi mekanisme penghilangan material dan pembentukan permukaan dalam skala nano, dan proses pemesinan dapat diamati secara real time melalui metode MD.

Dari hasil simulasi MD proses TBN diketahui bahwa keadaan deformasi diklasifikasikan menjadi keadaan bajak dan keadaan pemotongan. Dengan pergerakan ujung, atom material benda kerja di depan ujung terjepit dan kemudian terakumulasi untuk membentuk chip kontinu selama keadaan pemotongan. Bersamaan dengan itu, ada juga beberapa atom material benda kerja yang menumpuk di sisi kiri dan kanan alur fabrikasi setelah melewati ujung [57]. Dengan membandingkan rasio keadaan pemotongan dengan keadaan non-pemotongan, kita bisa mendapatkan apakah keadaan pemotongan atau keadaan membajak mengambil bagian yang dominan ketika berbagai radius ujung digunakan untuk menggores pada kedalaman goresan yang berbeda [77]. Selama beberapa tahun terakhir, banyak sarjana telah menyelidiki lebih lanjut sifat material pada keadaan penghilangan material. Misalnya, bahan kristal tunggal menunjukkan anisotropi dalam proses TBN, yang memiliki efek besar pada penyisihan bahan [20]. Dibandingkan dengan bahan kristal tunggal, batas butir memiliki efek penting pada sifat mekanik bahan polikristalin. Gao dkk. menemukan bahwa orientasi butir daripada ukuran butir juga dominan dalam menentukan profil timbunan [78]. Selain itu, geometri ujung juga memiliki efek yang kuat pada pemindahan material. Tiga jenis ujung (kerucut, piramida segitiga dan ujung hemispherical) dipilih untuk mengungkapkan efek geometri ujung pada keadaan penghilangan material. Untuk ujung kerucut, ada ketergantungan yang jelas pada sudut setengah puncak. Dengan sudut setengah puncak yang lebih besar dari ujung mengarah ke lebih banyak volume chip dan meningkatkan kehalusan permukaan goresan, tetapi membutuhkan gaya goresan yang lebih tinggi, menghasilkan koefisien gesekan yang lebih besar dan suhu yang lebih tinggi pada benda kerja, dan meningkatkan kerusakan bawah permukaan [40]. Alhafez juga menyelidiki pengaruh sudut setengah apex pada pembentukan pile-up [75]. Ditemukan bahwa ketika menggaruk dengan sudut setengah puncak kecil dari ujung, tumpukan sebagian besar terakumulasi ke arah depan, sedangkan tumpukan lateral mendominasi untuk kondisi pemesinan sudut setengah puncak besar dari ujung. Beberapa penelitian berfokus pada ujung piramidal segitiga yang konsisten dengan geometri ujung yang sebenarnya 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 pemindahan material dapat dikontrol dengan mudah dengan menyesuaikan arah goresan pahat. Arah goresan edge-forward dapat memberikan proses yang lebih stabil, yang dapat menghasilkan akurasi ukuran dan konsistensi yang lebih baik dari alur yang diperoleh [79]. Namun, keadaan penghilangan material polimer lebih sensitif terhadap suhu dibandingkan dengan bahan logam atau semikonduktor. Selama proses penggoresan, suhu lokal di zona penggoresan lebih tinggi dari temperatur transisi gelas, yang menunjukkan bahwa benda kerja di zona penggoresan dapat dihilangkan dengan cara yang ulet [72]. Zhan dkk. menyelidiki mekanisme gesekan mikroskopis polistiren amorf. Mereka menemukan bahwa fleksibilitas rantai molekul meningkat dengan meningkatnya suhu, yang memungkinkan rantai molekul lebih mudah melengkung dan kembali ke keadaan semula [56]. Du dkk. menemukan bahwa kecepatan pemesinan memiliki pengaruh besar pada hasil pemesinan polistirena. Perubahan intra-rantai mendominasi deformasi permanen spesimen polistiren ketika kecepatan pemesinan kecil, sedangkan geser antar-rantai lebih menonjol ketika kecepatan pemesinan besar [80].

Seperti yang dapat dilihat dari diskusi di atas, sebagian besar studi terutama berfokus pada kondisi kering daripada cairan. Namun, atom yang terakumulasi di depan pahat berkurang dan gerinda di sepanjang alur tidak jelas dengan ketebalan lapisan air yang tinggi dan kekasaran permukaan menurun secara nyata dan menghasilkan permukaan yang relatif halus. Dapat dijelaskan bahwa lapisan air bertindak sebagai pelumas untuk mengurangi daerah lengket antara pahat dan permukaan chip yang baru terbentuk dan mengurangi gaya seret yang ditunjukkan pada batas muka pahat chip. Konsekuensi langsungnya adalah kualitas permukaan sangat meningkat. Dengan bertambahnya ketebalan lapisan air, kualitas permukaan dapat ditingkatkan secara bertahap [60]. Dalam beberapa pendekatan pemesinan baru, Shockly et al. menyelidiki efek parameter (kecepatan tumbukan, sudut tumbukan, dan suhu operasi) dalam pemesinan tumbukan nano yang dibantu getaran pada pembentukan rongga nano dan menemukan bahwa parameter operasi memiliki pengaruh besar pada kedalaman dan lebar rongga nano yang dihasilkan seperti yang ditunjukkan pada Gambar .4 [61]. Xiao dkk. menemukan kedalaman dan lebar alur dalam proses pembajakan dinamis lebih kecil daripada dalam proses pembajakan statis, yang berarti bahwa struktur nano dengan fitur kecil dapat dibuat melalui litografi pembajakan dinamis. Selain itu, alur dimensi dapat dikontrol oleh rasio amplitudo penggerak dalam proses pembajakan dinamis, dan ini menunjukkan bahwa pembuatan alur juga dapat dikontrol [19].

Plot regresi linier berganda untuk a kedalaman rongga nano (kecepatan tumbukan, sudut tumbukan, dan suhu pengoperasian) dan b lebar rongga nano (kecepatan tumbukan, sudut tumbukan, dan suhu pengoperasian) [61]

Selama proses pelepasan material, perilaku keausan ada di ujung. Pada sebagian besar penelitian sebelumnya, tip didefinisikan sebagai benda tegar, yang berarti fenomena keausan pahat tidak dapat diamati secara langsung [13]. Banyak ahli menyelidiki keausan pahat dengan mempelajari keadaan pelepasan material, tegangan, dan distribusi temperatur [70, 77]. Untuk mencerminkan fenomena keausan tip yang sebenarnya selama proses pemesinan, Meng et al. mengatur tip sebagai bodi yang dapat dideformasi dan menemukan perilaku keausan tip selama proses pemesinan [81]. Hasil penelitian menunjukkan bahwa bentuk keausan abrasif berlian terutama adalah keausan perekat pada tahap awal dan keausan atom-demi-atom pada tahap stabilitas pemrosesan dan jumlah keausan atribusi atom-atom pada abrasif kurang dipengaruhi oleh kecepatan potong [ 81]. Terlihat bahwa hanya ada sedikit laporan tentang perilaku keausan tip. Mudah-mudahan, menggunakan badan ujung yang dapat dideformasi diharapkan dapat lebih mempromosikan penyelidikan perilaku keausan ujung selama proses pemesinan nano.

Analisis status pelepasan material memberikan dukungan yang efektif untuk pemantauan proses pemesinan secara real-time. Namun, karena keterbatasan skala panjang seperti yang disebutkan di atas, morfologi permukaan mesin dan proses pemindahan material hanya dapat dianalisis dengan perbandingan kualitatif. It is difficult to predict the accurate processing results.

Defect Evolution Process Analysis

To obtain the information about the defects generated during the scratching process, TEM is usually employed after the FIB sample preparation techniques, which has several disadvantages, such as relatively complicated operation, high cost, and strong material dependence.

The MD simulation method can obtain the defects generated beneath the sample surface easily. Moreover, the defect evolution process during the scratching could also be observed by using the MD simulation approach, which could not be obtained by experimental method. Many available algorithms to extract defect types were presented, including common neither analysis (CNA) [82], centro-symmetry parameter (CSP) [83], slip vector analysis [84], Ackland-Jones analysis [85], etc. However, these methods are not suitable for tracing the propagation of dislocations, especially when a large number of dislocations are generated by tip scratching along certain direction, and we can no longer investigate what is going on inside the specimen using these methods [86]. Chen dkk. presented slipping analysis for visualizing the atomic slipping process for material deformation, which could filter out those atoms that have slipped relative to its neighbor atoms during a specified period of time in the condition with large numbers of atoms [86]. By using this method, Xiao et al. investigated the slipping process during dynamic and static ploughing lithography [19]. The relationship between the cutting force and slipping process is shown in Fig. 5. It could be seen that for dynamic ploughing, the sample material mainly flows downwards and sidewards, whereas no obvious downwards material flow is observed in static ploughing process. In addition, the propagation of the dislocation is dependent on the orientation of the tip, leading to the various morphologies of the grooves. Dislocation extraction algorithm (DXA) is also a useful dislocation analysis tool to identify the lattice dislocation and to determine their Burger vector [87]. By using this method, Gao et al. investigated the behavior of the nanoscratching of iron. They found that a distinct reorganization of the dislocation network. At the beginning, the plastic zone grows linearly with the scratching length along the path. Then, the dislocation density decreases rapidly after some length dislocation reactions. Plastic activity then is concentrated only on the scratch front. Only few dislocations remain in the middle of the scratch. Vacancies in this zone are created by dislocation reactions. It is also found that point defects vacancies generated by dislocation reactions and deformation twining [88].

Slipping processes in a dynamic ploughing and b static ploughing [19]

For the polycrystalline materials, the deformation mechanism was mediated by dislocation nucleation within grain interior as well as grain boundary dislocations in polycrystalline material [43]. While the dislocation propagation is associated with the formation of nanovoids and interstitial clusters in the case of larger grain size, and the formation of twins at the grain boundary was dominating for smaller clusters. This behavior was attributed to the transition of dislocation movement from smooth (larger grain) to rough (smaller grain) during scratching process. Li further concluded the difference of material deformation mechanism about single crystal Cu, polycrystalline Cu, and NT polycrystalline Cu. The results show that the plastic deformation is mainly affected by the interaction between dislocations during scratching process in single crystal Cu; while for polycrystalline Cu both dislocations and GB dominate the plastic deformation; and the plastic deformation is controlled by the interactions of the dislocation, grain boundary (GB), and twin boundary (TB) accompanied with twinning/detwinning [25].

Furthermore, many studies focused on the MD simulation of the TBN process on the semiconductor materials, such as silicon, silicon carbide, gallium arsenide, and aluminum nitride. To investigate these brittle materials, phase transformation is also an important deformation mode in addition to dislocation slip [89]. The interaction between dislocation and phase transformation varies with the crystal orientation. The results indicate that prior to the “Pop-In” event, Si (010) undergoes inelastic deformation accompanied by the phase transformation from the Si-I to the Si-III/ Si-XII, which is not occurred in Si (110) and Si (111). While, the phase transformation from the Si-I to the bct-5 is the dominant mechanism of incipient plasticity for each crystallographic orientation, and dislocation nucleation is also an operating deformation mode in the elastic-plastic transition of Si (010). Dai et al. investigated the subsurface damage mechanism on single crystal silicon during TBN process. It is found that the evolution of crystalline phases is consistent with the distribution of hydrostatic stress and temperature [40]. SiC is also a kind of important semiconductor material, which has the similar property as silicon. The SiC material removal process is achieved through the phase transfer from zinc blended to amorphous structure with few hexagonal diamond structures. Higher scratching speed generates more amorphous structure atoms, fewer hexagonal diamond atoms, and fewer dislocation atoms due to larger impaction and less rearrangement time [90]. While Meng et al. found when the phase transition is not the dominant deformation mechanism, the Schmidt coefficient method can effectively predict the sliding motion of 3C-SiC during the TBN process (elastic sliding motion and dislocation slip motion) [79]. Moreover, Meng et al. further studied on the strain rate and heat effect on the removal mechanism of SiC. They found that the strain rate effect and the thermal softening effect directly affect the material removal amount and form of the subsurface damage (SSD). The influence of the thermal softening effect on the stress in the processing region under the condition of high strain rate exceeds that of the decrease in the growth rate of the dislocation generation speed. The polycrystalline SiC removal process is dominated by the amorphous phase transition. Furthermore, several hexagonal diamond structure atoms and dislocations are found in the GBs during the scratching. Higher scratching speed and larger depth of cut promotes more atoms to transfer into the amorphous structure due to larger impaction [81]. Compared with monocrystalline SiC, the microstructure in polycrystalline makes the SiC more soften by generating less normal scratching force and amorphous structure phase transition and thinner plastic deformation induced SSD [91]. Dislocation propagation and phase transition analysis could explain the mechanism in machining process. However, most researches focused on single crystalline materials and the materials with complex structure are rarely reported, which should be further studied.