Mekanisme Deformasi Subsistem dalam Pemotongan Nano Arsenida Galium: Wawasan dari Simulasi Dinamika Molekuler
Abstrak
Selama proses pemotongan nano, arsenida galium monokristal menghadapi berbagai deformasi dan kerusakan permukaan/subsistem yang secara signifikan mempengaruhi kinerja produk. Dalam paper ini, simulasi dinamika molekuler pemotongan nano pada arsenida galium dilakukan untuk menyelidiki mekanisme deformasi permukaan dan subsistem. Dislokasi ditemukan dalam subsistem yang diolah. Transformasi fase dan amorfisasi diteliti dengan menggunakan angka koordinasi. Hasilnya mengungkapkan keberadaan fase perantara dengan angka koordinasi lima selama proses pemotongan. Model dengan berbagai kecepatan pemotongan dibangun untuk menyelidiki efek terhadap dislokasi. Efef anisotropi kristal pada tipe dan densitas dislokasi diteliti melalui model dengan berbagai orientasi pemotongan. Selain itu, stres subsistem juga dianalisis.
Pendahuluan
Arsenida galium (GaAs) adalah jenis III–V yang khas, dan juga salah satu materi semiconductor yang paling penting. Didukung oleh properti unggulnya seperti band gap langsung, mobilitas elektron tinggi, dan resistivitas tinggi, arsenida galium monokristal menemukan aplikasi yang luas di berbagai bidang seperti perangkat optik inframerah dan perangkat gelombang mikro. Seiring dengan berkembangnya produksinya, persyaratan yang ketat terhadap kehalusan permukaan, akurasi bentuk permukaan, dan kerusakan subsistem semakin banyak diminta. Teknologi pemotongan nano bermanfaat dalam meningkatkan kinerja elemen optik arsenida galium dan dalam memperluas bidang aplikasinya. Proses pemotongan nano kristal arsenida galium dihadapkan pada banyak kesulitan seperti retakan rapuh, anisotropi, dan kerusakan subsistem lainnya. Oleh karena itu, studi tentang mekanisme pemotongan nano arsenida galium sangat berarti dalam memecahkan masalah pemrosesan, meningkatkan kualitas permukaan arsenida galium, dan mengembangkan teknologi pemrosesan nano-metrik terkait.
Banyak studi yang melakukan eksperimen skala nano pada arsenida galium. Fang et al. [1] membandingkan karakteristik nanoindentation dan nanoscratch arsenida galium dan silikon. Taylor et al. [2] menyelidiki nanoindentation beban ultra-rendah dalam arsenida galium (100) dengan ujung sudut kubus. Bradby et al. [3] menemukan peristiwa pop-in arsenida galium dalam indentasi bola. Fang et al. [4, 5] menyelidiki properti pemrosesan semiconductor rapuh dan lunak dan memperoleh permukaan cermin arsenida galium untuk pertama kalinya oleh pemutaran berlian. Meskipun banyak studi tentang indentasi dan properti fisik arsenida galium telah dilaporkan, sedikit yang diketahui tentang proses pemotongan nano dan mekanisme pembentukan kerusakan. Ini terutama karena kesulitan besar dalam melakukan eksperimen dan karakterisasi selanjutnya. Pada satu sisi, hampir tidak mungkin untuk memeriksa proses pemotongan nano dan mengukur data nano-metrik menggunakan pengukuran online karena skala nano dan kecepatan pemotongan yang tinggi. Pada sisi lain, mahal untuk melakukan serangkaian eksperimen pemrosesan dan pengukuran nano-metrik.
Simulasi dinamika molekuler (MD) adalah salah satu metode paling efisien untuk menjelajahi mekanisme pemrosesan nano-metrik. Shimada et al. [6, 7] membuktikan bahwa simulasi MD adalah cara yang efektif untuk menggambarkan proses pemrosesan nano-metrik. Komanduri et al. [8] menemukan fenomena transisi struktural silikon dalam proses pemotongan nano dengan simulasi MD. Pei et al. [9] mempelajari pembentukan dislokasi tembaga dengan model MD skala besar dari pemrosesan nano-metrik. Lai et al. [10] mempelajari efek sudut rak kritis dan deformasi materi germanium dalam pemotongan nano-metrik dan selanjutnya menyelidiki proses pemotongan nano yang tumpang tindih sebagian [11]. Selain itu, pendekatan pemodelan multiskala telah berkembang banyak di bidang pemrosesan ultrapresisi [12,13,14]. Simulasi multiskala menggabungkan metode simulasi pada skala yang berbeda, seperti model MD pada skala nano dan model FE pada skala nano/mikro [15], untuk mempelajari proses pemrosesan dengan cara yang lebih komprehensif dan realistis. Dalam paper ini, mekanisme deformasi subsistem proses pemotongan nano difokuskan, oleh karena itu simulasi MD dipilih sebagai metode penelitian.
Seperti yang disebutkan, sebagian besar studi simulasi MD dalam pemrosesan nano-metrik berfokus pada semiconductor elemen seperti silikon dan germanium atau logam seperti tembaga dan aluminium. Kurang studi yang dilaporkan tentang analisis numerik pada pemotongan nano arsenida galium. Fan et al. [16] menyelidiki respons duktile arsenida galium oleh simulasi MD dan eksperimen pemutaran. Yi et al. [17] mempelajari transformasi fase dan anisotropi arsenida galium dalam proses nanoscratch melalui simulasi MD. Dalam paper ini, serangkaian simulasi MD tiga dimensi dilakukan untuk menyelidiki deformasi duktile dalam proses pemotongan nano pada arsenida galium monokristal. Efef parameter pemrosesan seperti kecepatan pemotongan dan orientasi pemotongan juga diteliti secara sistematis.
Metode
Model simulasi MD dibangun untuk mempelajari perilaku deformasi kristal rapuh arsenida galium dalam proses pemotongan nano. Model simulasi MD tiga dimensi ditunjukkan dalam Gambar 1. Bahan kerja dibangun sebagai arsenida galium monokristal, kristal dalam jaring zincblende dengan atom Ga dan As menempati dua sub-jaring FCC. Ukuran bahan kerja adalah 85 nm × 30 nm × 35 nm. Model bahan kerja terdiri dari tiga lapis: lapis batas, lapis termostat, dan lapis Newtonian. Bahan kerja dikunci oleh lapis batas, sementara lapis termostat diatur pada suhu konstan 293 K untuk meniru dissipasi panas dalam proses pemrosesan nyata. Lapis Newtonian adalah area pemotongan yang akan mengungkapkan mekanisme proses pemotongan nano. Gerakan atom dalam lapis Newtonian mengikuti hukum kedua Newton klasik. Untuk meniru alat berlian dalam proses pemotongan nyata, model alat berlian setengah bola dengan radius tepi alat 10 nm dibangun, dan kedalaman pemotongan diatur 4 nm. Alat berlian diatur pada kecepatan tertentu untuk memotong ke dalam bahan kerja. Dengan keterbatasan sumber daya komputasi, model dikecilkan dan disederhanakan, namun masih cukup untuk menjelaskan deformasi duktile dan pembentukan kerusakan pada skala nano-metrik. Alat berlian disederhanakan sebagai setengah bola untuk mempelajari perilaku penghapusan duktile di arah horizontal seperti aliran sisi dan tumpukan di kedua sisi alat, yang merupakan karakteristik penting dari simulasi tiga dimensi. Untuk mempelajari efek parameter proses, model dengan berbagai kecepatan dan orientasi pemotongan dibangun. Tabel 1 mencantumkan parameter model.
Model simulasi MD
Potensi adalah dasar untuk menghitung gaya dan energi di antara atom, dan juga salah satu pengaturan terpenting dalam simulasi MD. Dalam studi sebelumnya, sistem potensi yang terdiri dari tiga jenis potensi ditentukan untuk simulasi model arsenida galium dan alat berlian [18]. Dalam sistem ini, potensi Tersoff-Brenner digunakan untuk menggambarkan interaksi di antara Ga dan As, yang menunjukkan efek simulasi yang baik [19]. Potensi tolak eksponensial ditetapkan untuk menggambarkan interaksi antara alat berlian dan bahan kerja arsenida galium melalui metode kimia kuantum, yang dalam bentuk potensi Born–Mayer yang disederhanakan [18]. Potensi Tersoff-ZBL digunakan dalam alat berlian. Sistem potensi diringkas dalam Gambar 2.
Sistem potensi dalam model
LAMMPS digunakan untuk melakukan simulasi MD, sementara visualisasi dan analisis melalui OVITO, termasuk analisis dislokasi (DXA), perhitungan stres, dan analisis koordinasi. Relaksasi bahan kerja diatur sebagai ensemble NPT untuk meminimalkan energi sistem dan menstabilkan permukaan bebas, sementara proses pemotongan nano diatur sebagai ensemble NVE. Langkah waktu untuk integrasi dalam simulasi adalah 1,0 fs.
Hasil dan Pembahasan
Deskripsi Umum
Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 3, bahan kerja arsenida galium diolah pada jarak pemotongan 60 nm dengan kecepatan pemotongan 400 m/s di arah [\(\overline{1}\)00] pada bidang (010). Bahan kerja diwarnai dengan perpindahan atom dalam arah y. Atom di depan alat diamati mengalir ke atas, menjadi chip dengan tekanan. Sejumlah besar atom mengalir ke bawah dan membentuk permukaan yang diolah. Di kedua sisi ranjuran yang diolah, atom tumpuk dengan ketinggian 2 nm karena tekanan dan goresan alat. Hasilnya mengungkapkan bahwa deformasi dan penghapusan kristal arsenida galium rapuh mewakili perilaku duktile ketika pemrosesan dilakukan pada skala nano-metrik. Beberapa kluster arsenida yang menghujam ke permukaan yang diolah jelas dalam proses simulasi. Studi ini mengungkapkan keberadaan presipitasi arsenida setelah anil [20]. Potensi Tersoff-Brenner mampu mensimulasikan presipitasi kluster arsenida [19]. Dalam proses pemotongan, material permukaan dipanaskan dengan panas pemotongan dan kemudian dianil, membentuk kluster arsenida. Namun, presipitasi ini bukan masalah utama dalam proses pemotongan nano. Oleh karena itu, atom ini akan disembunyikan dalam analisis selanjutnya.
Hasil simulasi pemotongan nano diwarnai dengan perpindahan atom dalam arah y
Bandingkan kurva gaya selama proses pemrosesan dalam Gambar 4. Awalnya, gaya tangensial dan gaya normal meningkat saat alat memotong masuk ke dalam material. Gaya lateral fluktuasi sekitar 0 karena gaya saling membatalkan di arah z. Ketika gaya stabil, gaya normal dan gaya tangensial fluktuasi sekitar 1700 nN dan 700 nN, masing-masing. Ditemukan bahwa gaya di arah y dominan dalam proses pemotongan karena sudut rak negatif yang besar dari alat berlian seperti yang ditampilkan dalam model. Sudut rak negatif membawa stres kompresi besar, yang menyebabkan gaya normal yang tinggi dalam proses pemotongan.
Gaya pemotongan dalam proses pemotongan nano
Dislokasi dan Cacat Tumpukan
Pembentukan kerusakan subsistem adalah bagian penting dari studi mekanisme pemotongan nano. Perlu untuk mengungkapkan mekanisme pembentukan kerusakan arsenida galium selama pemrosesan untuk mengoptimalkan parameter pemrosesan lebih lanjut. Kristal memiliki anisotropi pada struktur atom, dan ini adalah salah satu masalah paling serius dalam proses pemrosesan, yang akan mempengaruhi kinerja proses dengan orientasi yang berbeda.
Distribusi dislokasi dalam subsistem yang diolah ditunjukkan dalam Gambar 5, dan gerakan alat adalah di arah pemotongan (010) [\(\overline{1}\)00]. Dislokasi diamati di sekitar ranjuran yang diolah membentuk lapisan dislokasi sekitar 8 nm. Dua tipe utama dislokasi ada dalam subsistem yang diolah. Dislokasi 1/2[110] terutama meluncur di dua sisi dinding ranjuran yang diolah, sementara dislokasi 1/6[112] tersebar di bawah dasar ranjuran. Dislokasi 1/2[110] dan 1/6[112] terbukti dislokasi sempurna (garis biru) dan dislokasi parsial (garis hijau), masing-masing. Pembentukan dislokasi berarti gerakan transitif atom lokal, yang menyiratkan bahwa deformasi dan penghapusan berada dalam keadaan duktile. Dibuktikan bahwa materi rapuh juga menunjukkan keadaan duktile pada skala yang cukup kecil.
Tampilan perspektif distribusi dislokasi dalam subsistem yang diolah, dalam a arah y dan b arah x
Stres von Mises, yang dihitung termasuk komponen stres geser, biasanya digunakan untuk menentukan pembentukan dislokasi. Gambar 6 adalah tampilan potongan lintang dari dislokasi dan distribusi stres von Mises. Area stres tinggi terkonsentrasi di bawah alat karena tekanan. Ketika stres yang diberikan oleh alat melebihi kekuatan leleh material bahan kerja, material akan meluncur di permukaan geser, dan gerakan relatif material geser akan membawa dislokasi. Oleh karena itu, dislokasi terbentuk dan memperluas ke dalam kristal tunggal karena stres tinggi di area pemrosesan. Energi lokal akan dilepaskan oleh gerakan atom.
a Distribusi dislokasi dan b distribusi stres von Mises dalam subsistem model pemotongan nano
Dislokasi dalam materi rapuh dan duktile sangat berbeda. Arsenida galium adalah kristal rapuh khas, dan dislokasi terkonsentrasi dekat permukaan yang diolah. Namun, dislokasi dalam materi duktile seperti tembaga akan memperluas dan meluncur dalam ke dalam bahan kerja dan membentuk kluster dislokasi dengan densitas tinggi selama proses pemotongan [21], seperti ditunjukkan dalam Gambar 7a. Dislokasi adalah hasil dari deformasi duktile material. Perluasan kluster dislokasi untuk materi duktile mengarah pada deformasi duktile yang luas dan stres yang menyebar. Namun, lokasi dislokasi dalam materi rapuh seperti arsenida galium menunjukkan bahwa deformasi duktile hanya terjadi dekat permukaan tanpa pelepasan stres yang lengkap. Ketika stres terkonsentrasi hingga nilai ambang, jenis kerusakan lain, seperti transformasi fase atau retakan, mungkin muncul. Dalam studi kami sebelumnya [18], pembentukan retakan arsenida galium diteliti, dan ditemukan bahwa mode penghapusan akan berubah dari mode duktile dengan pembentukan dislokasi menjadi mode rapuh dengan retakan ketika kecepatan pemotongan meningkat. Pembentukan dislokasi akan melepaskan stres yang mungkin menyebabkan inisiasi retakan, dan mode deformasi akan cenderung duktile bukan rapuh dalam kasus ini.
Dislokasi dalam pemotongan nano berbagai kristal tunggal: a tembaga [21] dan b arsenida galium
Gambar 8 mengungkapkan cacat tumpukan yang ditemukan dalam subsistem yang diolah. Atom dalam bahan kerja diwarnai berdasarkan angka koordinasi. Untuk pemeriksaan yang nyaman, atom empat-koordinasi dengan struktur zincblende asli disembunyikan. Dapat diamati bahwa ada atom tiga-koordinasi yang ditempatkan secara periodik dalam subsistem yang diolah. Digabungkan dengan dislokasi parsial yang ditemukan di bawah dasar ranjuran, dislokasi parsial yang terutama dihasilkan dari batas butir atau permukaan bebas mungkin menyebabkan pembentukan cacat tumpukan atau iklim [22, 23]. Cacat tumpukan dalam model bukanlah bidang atom yang sepenuhnya dislokasi tetapi beberapa area kecil di batas kristal tunggal dan lapis amorf, oleh karena itu dislokasi parsial ada di batas cacat tumpukan. Ini juga dapat disimpulkan bahwa mungkin ada cacat tumpukan dalam subsistem yang diolah sebenarnya.
Cacat tumpukan dalam subsistem yang diolah
Transformasi Fase dan Amorfisasi
Struktur jaring materi dapat berubah karena stres tinggi selama pemotongan nano. Dengan mempelajari proses transformasi fase, pemahaman yang lebih baik tentang pemotongan arsenida galium dapat dicapai, yang berguna untuk mengoptimalkan parameter proses atau merancang eksperimen pra-pemrosesan sebelum pemotongan nano.
Arsenida galium monokristal memiliki struktur zincblende di bawah tekanan dan suhu normal. Namun, struktur berubah menjadi GaAs-II enam-koordinasi ketika stres kompresi mencapai 17 GPa [24]. Transformasi fase berakhir dengan struktur wurtzite ketika stres melebihi 60 GPa [25].
Gambar 9a menunjukkan perubahan struktural dalam model dengan kecepatan pemotongan 400 m/s pada orientasi (010)[\(\overline{1}\)00]. Lapisan area pemotongan 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 stres hidrostatik
Jelas bahwa beberapa atom di bawah posisi pemrosesan berubah menjadi struktur lima-koordinasi. Mirip dengan struktur bct-5 dari kristal silikon yang terbentuk dengan stres kompresi, struktur lima-koordinasi ini dianggap sebagai fase perantara dalam pembentukan GaAs-I enam-koordinasi. Stres hidrostatik meningkat dan menyebabkan distorsi jaring dengan pemotongan alat. Namun, seperti yang ditunjukkan dalam distribusi stres hidrostatik Gambar 9b, stres hidrostatik maksimum adalah 17 GPa, yang baru mencapai nilai kritis transformasi dari GaAs-I ke GaAs-II. Area subsistem di mana stres hidrostatik lebih dari 17 GPA sangat kecil, dan sebagian besar area bahan kerja memiliki stres hidrostatik di bawah ambang transisi. Akibatnya, sulit untuk menemukan bagian besar atom dengan struktur enam-koordinasi dan struktur lima-koordinasi adalah fase perantara dari GaAs-I ke GaAs-II.
Gambar 10 menggambarkan kurva fungsi distribusi radial dari area terpilih dalam proses pemotongan, yaitu area di bawah alat berlian. Kurva fungsi distribusi radial sebelum, selama, dan setelah pemrosesan dihitung. Bahan kerja memiliki struktur zincblende yang terurut pada awalnya, kurvanya terdiri dari puncak teratur. Ketika alat berlian mencapai area terpilih, fungsi distribusi radial menunjukkan keadaan tidak terurut baik pada jangkauan pendek maupun panjang. Ini menyiratkan keberadaan amorfisasi yang kuat dengan susunan atom yang tidak terurut di area tersebut. Namun, kurva subsistem yang diolah menyiratkan bahwa struktur dapat pulih dan menjadi terurut pada jangkauan pendek dan tidak terurut pada jangkauan panjang. Dengan pelepasan stres, material akan mengubah struktur menjadi yang memiliki status energi minimum. Atom dengan fase perantara mungkin berubah menjadi amorf atau status lain. Dengan demikian, kurva menunjukkan keadaan pemrosesan yang stabil dengan arsenida galium amorf. Dapat ditemukan bahwa ada puncak samping pada 3,3 Å dalam proses pemotongan, dan puncak ini menghilang ketika alat pergi. Fenomena ini mengungkapkan pembentukan dan hilangnya fase perantara, yang dapat dianggap sebagai deformasi elastis dalam proses pemotongan. Tanpa gaya alat, sebagian besar atom akan pulih ke struktur zincblende, dan yang lain akan berubah menjadi fase stabil lain atau status amorf, yang mewakili deformasi duktile permanen.
Fungsi distribusi radial area terpilih: a area terpilih; b kurva fungsi distribusi radial yang sesuai
Efef Kecepatan Pemotongan dan Orientasi terhadap Deformasi Subsistem
Pembentukan kerusakan permukaan/subsistem dipengaruhi oleh banyak faktor, dan parameter pemotongan yang berbeda akan mempengaruhi pembentukan dislokasi.
Distribusi dislokasi dengan berbagai kecepatan pemotongan dibandingkan dalam Gambar 11a–c. Densitas dislokasi bertahap menurun seiring peningkatan kecepatan pemotongan. Subsistem yang diolah kaya akan dislokasi, terutama ketika kecepatan pemotongan turun hingga 200 m/s. Ketika proses pemotongan berada di bawah laju regangan tinggi, tidak cukup waktu untuk inti dan perambatan dislokasi. Akibatnya, ada lebih sedikit dislokasi, dan deformasi duktile yang diinduksi oleh dislokasi juga kurang dominan. Material 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 pemotongan yang lebih tinggi adalah cara untuk mencegah pembentukan dislokasi. Gambar 11d–f adalah tampilan potongan lintang dari distribusi stres von Mises dalam tiga model yang sesuai. Pada kecepatan pemotongan yang lebih tinggi, stres material dekat alat relatif lebih tinggi karena energi pemotongan yang besar. Membandingkan tiga model, model 800 m/s memiliki konsentrasi stres yang lebih tinggi di depan alat, dan subsistem yang diolah menunjukkan area stres yang lebih kontinu dengan nilai yang lebih tinggi. Sebaliknya, stres dilepaskan karena pembentukan dislokasi dalam model kecepatan rendah. Deformasi duktile yang diinduksi oleh dislokasi akan melepaskan energi regangan lokal dan stres yang disebabkan oleh lenturan dan deformasi elastis jaring. Oleh karena itu, dalam bahan kerja dengan kecepatan pemotongan yang lebih tinggi, keadaan stres dapat parah karena kurangnya dislokasi, sehingga memudahkan pembentukan retakan dalam proses pemotongan.
Tampilan perspektif distribusi dislokasi dan distribusi stres von Mises dalam model dengan berbagai kecepatan pemotongan 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 arsenida galium kristal tunggal. Karena struktur kristal tunggalnya, kristal arsenida galium menunjukkan properti yang berbeda dalam orientasi kristal yang berbeda. Tiga model dengan bidang dan orientasi pemotongan 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. Seperti yang disebutkan di atas, ada dua jenis dislokasi dalam model (010)[\(\overline{1}\)00]. Ketika arah pemotongan berada di sepanjang arah \((\overline{1}10)\,[\overline{1}\overline{1}0]\), sebagian besar dislokasi berada di dasar ranjuran yang diolah, sementara beberapa kluster dislokasi memperluas ke permukaan di depan alat. Beberapa dislokasi ditemukan di kedua sisi dinding samping dalam Gambar 12b. Pada orientasi pemotongan \((\overline{2}11)\,[\overline{1}\overline{1}\overline{1}]\), dislokasi seperti pohon yang memperluas dari tengah ke kedua sisi diamati, melingkupi subsistem yang diolah seperti diungkapkan dalam Gambar 12c. Namun, berbeda dengan model pertama, ada sedikit dislokasi parsial dalam model \((\overline{1}10)\,[\overline{1}\overline{1}0]\) dan \((\overline{2}11)\,[\overline{1}\overline{1}\overline{1}]\), dan sebagian besar dislokasi adalah dislokasi sempurna di sepanjang orientasi [110]. Demikian pula, cacat tumpukan tidak ditemukan dalam area pemrosesan model \((\overline{1}10)\,[\overline{1}\overline{1}0]\) dan \((\overline{2}11)\,[\overline{1}\overline{1}\overline{1}]\), yang sesuai dengan kurangnya dislokasi parsial. Ini juga membuktikan efek anisotropi dalam materi.
Tampilan perspektif distribusi dislokasi dalam model dengan orientasi pemotongan di 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 stres von Mises dari tiga model dengan berbagai orientasi pemotongan. Orientasi kristal memiliki efek yang jelas pada propagasi stres. Dalam model (010)[\(\overline{1}\)00] dan \((\overline{2}11)\,[\overline{1}\overline{1}\overline{1}]\), stres terkonsentrasi di depan alat berlian, tetapi arah perluasan berbeda. Namun, area stres yang terkonsentrasi dari model \((\overline{1}10)\,[\overline{1}\overline{1}0]\) lebih luas, dan area stres tinggi di depan alat memperluas ke permukaan. Karena perbedaan orientasi kristal, komponen stres di arah geser akan berbeda, yang mengarah pada penampilan dislokasi yang berbeda. Ketika sudut arah stres dan permukaan geser kecil, geser lebih mungkin terjadi dan material akan berubah bentuk dalam mode duktile. Sebaliknya, retakan dan kerusakan rapuh cenderung muncul ketika rasio stres regangan tegak lurus terhadap bidang belah terhadap stres geser di bidang geser meningkat.
Distribusi stres von Mises dan distribusi dislokasi dalam model dengan orientasi pemotongan di 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 stres dan dislokasi, model dengan densitas dislokasi yang lebih tinggi mungkin memiliki stres lebih rendah dalam subsistem yang diolah. Gambar 13e menunjukkan lapisan kerusakan amorf yang lebih tebal dalam subsistem model \((\overline{1}10)\,[\overline{1}\overline{1}0]\), yang sesuai dengan daerah dislokasi padat dalam model lain. Fenomena ini menunjukkan bahwa anisotropi mungkin mempengaruhi jenis kerusakan. Dalam model \((\overline{1}10)\,[\overline{1}\overline{1}0]\), stres yang terkonsentrasi sulit untuk dilepaskan karena kurangnya pembentukan dislokasi. Akibatnya, susunan atom terganggu di bawah keadaan stres yang parah. Rentang stres lebih luas dalam subsistem yang diolah dan stres sisa lebih tinggi. Sebaliknya, model \((\overline{2}11)\,[\overline{1}\overline{1}\overline{1}]\) memiliki lapisan stres yang lebih tipis dalam subsistem yang diolah karena densitas dislokasi yang lebih tinggi. Pembentukan dislokasi melepaskan sebagian stres selama proses pemotongan. Dalam studi sebelumnya [18], ketika mode kerusakan duktile berubah dari dislokasi menjadi amorfisasi, subsistem yang diolah menunjukkan keadaan stres yang parah dan kerusakan amorf. Retakan subsistem lebih mudah terbentuk di batas antara amorf dan kristal tunggal. Dapat disimpulkan bahwa retakan lebih mudah terjadi ketika orientasi pemotongan adalah di sepanjang arah \((\overline{1}10)\,[\overline{1}\overline{1}0]\). Pembentukan dislokasi dapat mengurangi pembentukan kerusakan rapuh. Selain mekanisme belah, ini juga alasan mengapa pembentukan retakan dipengaruhi oleh anisotropi.
Dalam proses pemotongan, material dekat alat pemotongan menerima stres tinggi dan kompresi parah, yang akan menyebabkan perubahan struktural material seperti transformasi fase dan amorfisasi. Di bawah lapisan amorf, geser akan terjadi di area yang lebih luas dan dislokasi akan terbentuk dalam kristal tunggal karena efek stres yang menyebar. Ini adalah deformasi duktile utama dalam pemotongan nano arsenida galium. Kondisi pemotongan yang berbeda akan mempengaruhi keadaan stres lokal dan kemudahan pembentukan dislokasi. Ketika dislokasi sulit dibuat karena kecepatan pemrosesan tinggi atau anisotropi, mode deformasi duktile akan cenderung didominasi oleh amorfisasi karena amorfisasi yang disebabkan oleh stres yang tidak dilepaskan. Retakan juga akan mudah terbentuk dalam situasi ini. Sebaliknya, dislokasi akan menjadi komponen utama deformasi duktile jika kondisi cocok untuk meluncur material.
Kesimpulan
Simulasi MD digunakan untuk mempelajari mekanisme pembentukan kerusakan dalam proses pemotongan nano kristal arsenida galium. Gerakan atom dan gaya pemotongan dari proses juga dianalisis. Dislokasi, cacat tumpukan, dan transformasi fase terutama diteliti sebagai kerusakan permukaan/subsistem. Kesimpulan dapat diringkas sebagai berikut:
Dalam pemotongan nano arsenida galium, dislokasi dan transformasi struktural ditemukan sebagai mekanisme deformasi utama dalam subsistem yang diolah.
Dislokasi dan cacat tumpukan diamati dalam ranjuran subsistem yang diolah, dan pembentukan cacat tumpukan dan dislokasi parsial konsisten.
Fase perantara dengan koordinasi lima ditemukan di depan alat karena stres hidrostatik dekat dengan tetapi tidak lebih tinggi dari ambang transisi (17 GPa). Lapisan amorf terbentuk dalam subsistem yang diolah.
Dengan peningkatan kecepatan pemotongan, densitas dislokasi menurun karena laju regangan tinggi. Anisotropi memiliki efek yang besar pada tipe dan densitas dislokasi. Dislokasi parsial lebih mudah terbentuk dalam model (010) [\(\overline{1}\)00]. Selain itu, model \((\overline{1}10)\,[\overline{1}\overline{1}0]\) memiliki densitas dislokasi yang lebih rendah dan amorfisasi yang lebih parah.
Ketersediaan Data dan Bahan
Dataset yang dihasilkan atau dianalisis selama studi saat ini tidak tersedia untuk umum karena data juga merupakan bagian dari studi yang berlangsung, tetapi tersedia dari penulis yang bersanggungjawab atas permintaan yang wajar.
