Mekanisme Deformasi Bawah Permukaan pada Pemotongan Nano Gallium Arsenida Menggunakan Simulasi Dinamika Molekuler

Hasil dan Diskusi

Deskripsi Umum

Seperti ditunjukkan pada Gambar. 3, benda kerja galium arsenida dikerjakan pada jarak pemotongan 60 nm dengan kecepatan potong 400 m/s sepanjang arah [\(\overline{1}\)00] pada (010) pesawat. Benda kerja diwarnai dengan perpindahan atom di y -arah. Atom-atom di depan alat diamati mengalir ke atas, menjadi chip dengan ekstrusi. Sejumlah atom mengalir ke bawah dan membentuk permukaan mesin. Di kedua sisi alur mesin, atom menumpuk dengan ketinggian 2 nm karena ekstrusi dan pembajakan alat. Hasilnya menunjukkan bahwa deformasi dan penghilangan kristal galium arsenida yang rapuh menunjukkan perilaku ulet ketika pemesinan dalam skala nanometrik. Beberapa kluster arsenida yang mengendap ke permukaan mesin terbukti dalam proses simulasi. Studi ini mengungkapkan adanya presipitasi arsenida setelah anil [20]. Potensi Tersoff-Brenner mampu mensimulasikan pengendapan gugus arsenida [19]. Dalam proses pemotongan, bahan permukaan dipanaskan dengan panas pemotongan dan kemudian dianil, membentuk gugus arsenida. Namun, curah hujan ini tidak menjadi perhatian utama dalam proses pemotongan nano. Oleh karena itu, atom-atom ini akan disembunyikan dalam analisis selanjutnya.

Hasil simulasi pemotongan nano diwarnai dengan perpindahan atom di y -arah

Bandingkan kurva gaya potong selama proses pemesinan pada Gambar 4. Awalnya, gaya tangensial dan gaya normal naik dengan pahat memotong material. Gaya lateral berfluktuasi sekitar 0 karena gaya meniadakan di z -arah. Ketika gaya distabilkan, gaya normal dan gaya tangensial berfluktuasi masing-masing sekitar 1700 nN dan 700 nN. Ditemukan bahwa gaya di y -arah dominan dalam proses pemotongan karena sudut penggaruk negatif efektif yang besar dari alat berlian seperti yang disajikan dalam model. Sudut rake negatif membawa tegangan tekan yang besar, yang menyebabkan gaya normal yang tinggi dalam proses pemotongan.

Gaya pemotongan dalam proses pemotongan nano

Dislokasi dan Kesalahan Penumpukan

Pembentukan kerusakan bawah permukaan merupakan bagian penting dari studi mekanisme pemotongan nano. Penting untuk mengetahui mekanisme pembentukan kerusakan galium arsenida selama pemesinan untuk lebih mengoptimalkan parameter pemrosesan. Kristal memiliki anisotropi pada struktur atom, dan merupakan salah satu masalah paling serius dalam proses pemesinan, yang akan mempengaruhi kinerja proses dengan orientasi yang berbeda.

Distribusi dislokasi di bawah permukaan yang dikerjakan ditunjukkan pada Gambar. 5, dan gerakan pahat sepanjang (010) [\(\overline{1}\)00] orientasi pemotongan. Dislokasi diamati di sekitar alur mesin yang membentuk lapisan dislokasi sekitar 8 nm. Dua jenis utama dislokasi hadir di bawah permukaan yang dikerjakan. Dislokasi 1/2[110] terutama meluncur di dua dinding samping alur mesin, sedangkan dislokasi 1/6[112] menyebar di bawah dasar alur. Dislokasi 1/2[110] dan 1/6[112] terbukti menjadi dislokasi sempurna (garis biru) dan dislokasi parsial (garis hijau). Pembentukan dislokasi berarti gerakan transitif atom lokal, yang menyiratkan bahwa deformasi dan pemindahan berada dalam keadaan ulet. Terbukti bahwa material getas juga menunjukkan keadaan daktail pada skala yang cukup kecil.

Pandangan perspektif distribusi dislokasi di bawah permukaan yang dikerjakan, dalam a y -arah dan b x -arah

Tegangan von Mises, yang dihitung termasuk komponen tegangan geser, biasanya digunakan untuk menentukan pembentukan dislokasi. Gambar 6 adalah tampilan penampang dislokasi dan distribusi tegangan von Mises. Area tegangan tinggi terkonsentrasi di bawah pahat karena ekstrusi. Ketika tegangan yang diberikan oleh pahat melebihi kekuatan luluh material benda kerja, material akan meluncur di sepanjang permukaan slip, dan gerakan relatif material slip akan menyebabkan dislokasi. Oleh karena itu, dislokasi berinti dan meluas ke kristal tunggal karena tegangan tinggi di area pemesinan. Energi lokal akan dilepaskan oleh gerakan atom.

a Distribusi dislokasi dan b Distribusi tegangan von Mises di bawah permukaan model pemotongan nano

Dislokasi pada bahan getas dan ulet sangat berbeda. Gallium arsenide adalah kristal rapuh yang khas, dan dislokasi terkonsentrasi di dekat permukaan mesin. Namun, dislokasi pada material ulet seperti tembaga akan meluas dan tergelincir jauh ke dalam benda kerja dan membentuk kluster dislokasi densitas tinggi selama proses pemotongan [21], seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7a. Dislokasi hasil dari deformasi ulet bahan. Perpanjangan kelompok dislokasi untuk bahan ulet menyebabkan berbagai deformasi ulet dan tegangan menyebar. Namun, lokalisasi dislokasi pada material getas seperti galium arsenida menunjukkan bahwa deformasi ulet hanya terjadi di dekat permukaan tanpa pelepasan tegangan yang lengkap. Ketika tegangan terkonsentrasi pada nilai ambang batas, jenis kerusakan lain, seperti transformasi fasa atau retak, mungkin muncul. Dalam penelitian kami sebelumnya [18], telah dipelajari pembentukan retakan galium arsenida, dan ditemukan bahwa mode penghilangan akan berubah dari mode ulet dengan pembentukan dislokasi menjadi mode getas dengan retakan ketika kecepatan potong meningkat. Formasi dislokasi akan melepaskan tegangan yang dapat menyebabkan inisiasi retak, dan mode deformasi akan cenderung daktail daripada getas dalam hal ini.

Dislokasi dalam pemotongan nano dari bahan kristal tunggal yang berbeda:a tembaga [21] dan b galium arsenida

Gambar 8 menunjukkan kesalahan susun yang ditemukan di bawah permukaan yang dikerjakan dengan mesin. Atom-atom dalam benda kerja diwarnai berdasarkan bilangan koordinasi. Untuk pemeriksaan yang mudah, atom empat koordinasi dengan struktur zincblende asli disembunyikan. Dapat diamati bahwa terdapat tiga atom koordinasi yang ditempatkan secara berkala di bawah permukaan yang dikerjakan. Dikombinasikan dengan dislokasi parsial yang ditemukan di bawah dasar alur, dislokasi parsial yang terutama dipancarkan dari batas butir atau permukaan bebas dapat menyebabkan pembentukan sesar susun atau kembaran [22, 23]. Sesar susun dalam model tidak sepenuhnya dislokasi bidang atom tetapi beberapa area kecil di batas lapisan kristal tunggal dan amorf, oleh karena itu dislokasi parsial ada pada batas sesar susun. Hal ini juga dapat disimpulkan bahwa mungkin ada kesalahan susun di bawah permukaan mesin yang sebenarnya.

Tumpukan kesalahan di bawah permukaan mesin

Transformasi Fase dan Amorfisasi

Struktur kisi material dapat berubah karena tekanan tinggi selama pemotongan nano. Dengan mempelajari proses transformasi fasa, pemahaman yang lebih baik tentang pemotongan galium arsenida dapat dicapai, yang berguna untuk mengoptimalkan parameter proses atau dalam merancang percobaan perlakuan awal sebelum pemotongan nano.

Galium arsenida monokristalin memiliki struktur zincblende di bawah tekanan dan suhu normal. Namun, struktur berubah menjadi GaAs-II enam koordinat ketika tegangan tekan mencapai 17 GPa [24]. Transformasi fase berakhir dengan struktur wurtzite saat tegangan meningkat melebihi 60 GPa [25].

Gambar 9a menyajikan perubahan struktural pada model dengan kecepatan potong 400 m/s pada orientasi (010)[\(\overline{1}\)00]. Lapisan area mesin diamati menunjukkan struktur amorf dengan ketebalan sekitar 6 nm tanpa struktur karakteristik kristal.

Distribusi a atom koordinasi tinggi dan struktur lima koordinasi dan b distribusi tegangan hidrostatik

Jelas bahwa beberapa atom di bawah posisi pemesinan berubah menjadi struktur lima koordinasi. Mirip dengan struktur bct-5 dari kristal silikon yang terbentuk dengan tegangan tekan, struktur lima koordinasi ini dianggap sebagai perantara dalam pembentukan enam koordinat GaAs-I. Tegangan hidrostatik meningkat dan menyebabkan distorsi kisi dengan pemotongan pahat. Namun, seperti yang ditunjukkan dalam distribusi tegangan hidrostatik pada Gambar. 9b, tegangan hidrostatik maksimum adalah 17 GPa, yang baru saja mencapai nilai kritis transformasi dari GaAs-I ke GaAs-II. Area bawah permukaan di mana tegangan hidrostatik lebih tinggi dari 17 GPa sangat kecil, dan sebagian besar area benda kerja memiliki tegangan hidrostatik di bawah ambang batas transisi. Akibatnya, sulit untuk menemukan potongan atom besar dengan struktur enam koordinasi dan struktur lima koordinasi adalah fase peralihan dari GaAs-I ke GaAs-II.

Gambar 10 menggambarkan kurva fungsi distribusi radial dari area yang dipilih dalam proses pemotongan, yang merupakan area di bawah alat berlian. Kurva distribusi radial sebelum, selama, dan setelah pemrosesan dihitung. Benda kerja memiliki struktur zincblende yang teratur di awal, yang kurvanya terdiri dari puncak beraturan. Ketika alat intan mencapai area yang dipilih, fungsi distribusi radial menunjukkan keadaan tidak teratur baik dalam jarak pendek maupun jarak jauh. Ini menyiratkan adanya amorfisasi yang kuat dengan susunan atom yang tidak teratur di daerah tersebut. Namun, kurva dari mesin bawah permukaan menyiratkan bahwa struktur dapat pulih dan menjadi teratur pada jarak pendek dan tidak teratur pada jarak jauh. Dengan pelepasan tegangan, material akan mengubah struktur menjadi satu dengan keadaan energi minimum. Atom dengan fase antara dapat berubah menjadi amorf atau keadaan lain. Dengan demikian, kurva menunjukkan keadaan mesin yang stabil dengan galium arsenida amorf. Dapat ditemukan bahwa ada puncak samping pada 3,3 Å dalam proses pemesinan, dan puncak tersebut menghilang saat pahat pergi. Fenomena ini mengungkapkan pembentukan dan lenyapnya fase antara, yang dapat dianggap sebagai deformasi elastis dalam proses pemotongan. Tanpa gaya pahat, sebagian atom akan kembali ke struktur zincblende, dan sebagian lainnya akan berubah ke fase stabil atau keadaan amorf lainnya, yang merepresentasikan deformasi daktail permanen.

Fungsi distribusi radial area yang dipilih:a daerah yang dipilih; b kurva fungsi distribusi radial yang sesuai

Kecepatan Potong dan Efek Orientasi pada Deformasi Bawah Permukaan

Formasi kerusakan permukaan/bawah permukaan dipengaruhi oleh banyak faktor, dan parameter pemotongan yang berbeda akan mempengaruhi pembentukan dislokasi.

Distribusi dislokasi dengan kecepatan potong yang berbeda dibandingkan pada Gambar 11a–c. Kepadatan dislokasi secara bertahap menurun seiring dengan meningkatnya kecepatan potong. Bawah permukaan yang dikerjakan dengan mesin banyak dilengkapi dengan dislokasi, terutama saat kecepatan potong turun hingga 200 m/s. Ketika proses pemotongan berada di bawah laju regangan yang tinggi, tidak ada cukup waktu untuk nukleasi dan propagasi dislokasi. Akibatnya, dislokasi lebih sedikit, dan deformasi ulet yang disebabkan oleh dislokasi juga kurang dominan. Materi akan berubah bentuk dan tidak teratur dengan cepat, dan waktu pemulihan juga singkat, dan atom amorf dengan struktur tidak teratur akan lebih mudah terbentuk. Oleh karena itu, kecepatan potong yang lebih tinggi adalah cara untuk menahan pembentukan dislokasi. Gambar 11d–f adalah tampilan penampang distribusi tegangan von Mises dalam tiga model yang sesuai. Pada kecepatan potong yang lebih tinggi, tegangan material di dekat pahat relatif lebih tinggi karena energi pemotongan yang besar. Membandingkan ketiga model, model 800 m/s memiliki konsentrasi tegangan yang lebih tinggi di depan pahat, dan bawah permukaan yang dikerjakan dengan mesin menyajikan wilayah tegangan yang lebih kontinu dengan nilai yang lebih tinggi. Sebaliknya, tegangan dilepaskan karena pembentukan dislokasi pada model kecepatan rendah. Deformasi daktail yang disebabkan oleh dislokasi akan melepaskan energi regangan lokal dan tegangan yang disebabkan oleh deformasi lentur dan elastis kisi. Oleh karena itu, pada benda kerja dengan kecepatan potong yang lebih tinggi, keadaan tegangan dapat menjadi parah karena kurangnya dislokasi, sehingga lebih mudah untuk membentuk retakan dalam proses pemotongan.

Pandangan perspektif distribusi dislokasi dan distribusi tegangan von Mises dalam model dengan kecepatan potong yang berbeda a , d 200 m/s, b , e 400 m/s, dan c , f 800 m/s

Anisotropi adalah masalah serius dalam proses pemotongan nano kristal [26, 27], termasuk kristal tunggal galium arsenida. Karena struktur kristal tunggalnya, kristal galium arsenida menunjukkan sifat yang berbeda dalam orientasi kristal yang berbeda. Tiga model dengan bidang pemotongan dan orientasi yang berbeda dibangun untuk mempelajari anisotropi. Orientasi pemotongan adalah (010)[\(\overline{1}\)00], (\(\overline{1}\)10)[\(\overline{1}\)\(\overline{1}\ )0], dan \((\overline{2}11)\,[\overline{1}\overline{1}\overline{1}]\). Gambar 12a–f mencerminkan perbedaan besar yang ada di antara distribusi dislokasi. Sebagaimana dinyatakan di atas, terdapat dua jenis dislokasi dalam model (010)[\(\overline{1}\)00]. Ketika arah pemotongan sepanjang arah \((\overline{1}10)\,[\overline{1}\overline{1}0]\), sebagian besar dislokasi berada di dasar alur mesin, sedangkan beberapa dislokasi berkerumun meluas ke permukaan di depan alat. Beberapa dislokasi ditemukan pada kedua sisi dinding samping pada Gambar 12b. Pada orientasi pemotongan \((\overline{2}11)\,[\overline{1}\overline{1}\overline{1}]\), dislokasi seperti pohon yang memanjang dari tengah ke kedua sisi diamati , menutupi bawah permukaan mesin seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 12c. Namun, tidak seperti model pertama, ada sedikit dislokasi parsial di \((\overline{1}10)\,[\overline{1}\overline{1}0]\) dan \((\overline{2} 11)\,[\overline{1}\overline{1}\overline{1}]\) model, dan sebagian besar dislokasi adalah dislokasi sempurna sepanjang orientasi [110]. Demikian pula, kesalahan susun tidak ditemukan di area mesin \((\overline{1}10)\,[\overline{1}\overline{1}0]\) dan \((\overline{2}11) \,[\overline{1}\overline{1}\overline{1}]\) model, sesuai dengan kurangnya dislokasi parsial. Ini juga membuktikan efek anisotropi pada material.

Tampilan perspektif distribusi dislokasi pada model dengan orientasi pemotongan sepanjang a , d \((010)\,[\overline{1}00]\), b , e \((\overline{1}10)\,[\overline{1}\overline{1}0]\), dan c , f \((\overline{2}11)\,[\overline{1}\overline{1}\overline{1}]\)

Gambar 13a–f membandingkan distribusi dislokasi dan distribusi tegangan von Mises dari ketiga model dengan orientasi pemotongan yang berbeda. Orientasi kristal memiliki efek yang jelas pada perambatan tegangan. Dalam model (010)[\(\overline{1}\)00] dan \((\overline{2}11)\,[\overline{1}\overline{1}\overline{1}]\) , tegangan terkonsentrasi di depan alat intan, tetapi arah pemanjangannya berbeda. Namun, area tegangan terkonsentrasi dari model \((\overline{1}10)\,[\overline{1}\overline{1}0]\) lebih lebar, dan wilayah tegangan tinggi di depan pahat meluas ke permukaan. Karena perbedaan orientasi kristal, komponen tegangan sepanjang arah slip akan berbeda, menghasilkan tampilan dislokasi yang berbeda. Ketika sudut arah tegangan dan permukaan slip kecil, slip lebih mungkin muncul dan material akan berubah bentuk dalam mode daktail. Sebaliknya, retak dan patah getas cenderung terjadi ketika rasio tegangan tarik tegak lurus bidang pembelahan terhadap tegangan geser sepanjang bidang slip meningkat.

Distribusi tegangan von Mises dan distribusi dislokasi pada model dengan orientasi pemotongan sepanjang a , d \((010)\,[\overline{1}00]\), b , e \((\overline{1}10)\,[\overline{1}\overline{1}0]\), dan c , f \((\overline{2}11)\,[\overline{1}\overline{1}\overline{1}]\)

Membandingkan distribusi tegangan dan dislokasi, model dengan kepadatan dislokasi yang lebih tinggi mungkin memiliki tegangan yang lebih rendah di bawah permukaan yang dikerjakan. Gambar 13e menunjukkan lapisan kerusakan amorf yang lebih tebal di bawah permukaan model \((\overline{1}10)\,[\overline{1}\overline{1}0]\), yang sesuai dengan daerah dislokasi padat di model lainnya. Fenomena ini menunjukkan bahwa anisotropi mungkin berpengaruh pada jenis kerusakan. Dalam model \((\overline{1}10)\,[\overline{1}\overline{1}0]\), tegangan terkonsentrasi sulit untuk dilepaskan karena pembentukan dislokasi yang lebih sedikit. Akibatnya, susunan atom terganggu di bawah keadaan stres yang parah. Rentang tegangan lebih besar di bawah permukaan yang dikerjakan dan tegangan sisa lebih tinggi. Sebaliknya, model \((\overline{2}11)\,[\overline{1}\overline{1}\overline{1}]\) memiliki lapisan tegangan yang lebih tipis di bawah permukaan yang dikerjakan karena semakin besar kepadatan dislokasi. Pembentukan dislokasi melepaskan sebagian tegangan selama proses pemotongan. Dalam studi sebelumnya [18], ketika mode kerusakan daktail berubah dari dislokasi ke amorfisasi, bawah permukaan yang dikerjakan menunjukkan keadaan tegangan yang parah dan kerusakan amorf. Retakan bawah permukaan lebih mudah terbentuk pada batas kristal amorf dan kristal tunggal. Dapat disimpulkan bahwa retakan lebih mungkin terjadi bila orientasi pemotongan sepanjang arah \((\overline{1}10)\,[\overline{1}\overline{1}0]\). Pembentukan dislokasi dapat mengurangi formasi kerusakan getas. Selain mekanisme pembelahan, juga merupakan alasan mengapa pembentukan retakan dipengaruhi oleh anisotropi.

Dalam proses pemotongan, material di dekat pahat menerima tegangan tinggi dan kompresi yang parah, yang akan menyebabkan perubahan struktur material seperti transformasi fasa dan amorfisasi. Di bawah lapisan amorf, slip akan terjadi di area yang lebih besar dan dislokasi akan terbentuk dalam kristal tunggal karena efek tegangan yang meluas. Ini adalah deformasi ulet utama dalam pemotongan nano galium arsenida. Kondisi pemotongan yang berbeda akan mempengaruhi keadaan tegangan lokal dan kemudahan pembentukan dislokasi. Ketika dislokasi sulit untuk dibangkitkan karena kecepatan pemrosesan yang tinggi atau anisotropi, mode deformasi ulet akan cenderung didominasi amorf karena amorfisasi yang disebabkan oleh tegangan yang tidak dilepaskan. Retakan juga akan mudah terbentuk dalam situasi ini. Sebaliknya, dislokasi akan menjadi komponen utama deformasi daktail jika kondisinya sesuai untuk material slip.