分子动力学模拟揭示氮化镓纳米切削亚表面变形机制

摘要

纳米切削过程中，单晶氮化镓面临各种表面/亚表面变形和损伤，显著影响产品性能。本文开展氮化镓纳米切削分子动力学模拟，研究表面和亚表面变形机制。在加工亚表面发现位错。通过配位数研究相变和非晶化。结果揭示切削过程中存在配位数为5的中间相。建立不同切削速度模型考察对位错影响。通过不同切削取向模型研究晶向各向异性对位错类型和密度的影响。此外分析了亚表面应力。

引言

氮化镓（GaAs）是典型III-V族化合物，也是最重要的半导体材料之一。凭借直接带隙、高电子迁移率、高电阻率等优异性质，单晶氮化镓广泛应用于红外光学器件、微波器件等领域。随着生产不断发展，对表面粗糙度、形状精度和亚表面损伤的严格要求日益提高。纳米切削技术有利于提升氮化镓光学元件性能并拓展应用领域。氮化镓晶体纳米切削面临脆性裂纹、各向异性等亚表面损伤难题。因此，研究氮化镓纳米切削机制对解决加工问题、提高表面质量、发展相关纳米加工技术具有重要意义。

许多研究在氮化镓上开展纳米实验。Fang等[1]比较氮化镓和硅的纳米压痕和纳米划痕特性。Taylor等[2]研究立方角锥压头超低载荷纳米压痕氮化镓(100)。Bradby等[3]发现球形压痕中氮化镓的突入事件。Fang等[4,5]研究软脆半导体加工性能，首次用金刚石车削获得氮化镓镜面。尽管有大量关于氮化镓压痕和物理性质的研究，但鲜有报道其纳米切削过程和损伤形成机制。主要原因：一方面，纳米尺度和高切削速度使在线测量切削过程和纳米数据几乎不可能；另一方面，系列纳米加工测量实验成本高昂。

分子动力学（MD）模拟是探索纳米加工机制的最高效方法之一。Shimada等[6,7]证实MD模拟能有效描述纳米加工过程。Komanduri等[8]用MD模拟发现硅纳米切削结构相变现象。Pei等[9]用大规模MD模型研究铜纳米切削位错形成。Lai等[10]研究锗纳米切削临界前角和材料变形，进一步研究部分重叠纳米切削[11]。此外，多尺度建模在超精密加工领域发展迅速[12-14]，结合纳米尺度MD模型和微/纳米尺度有限元(FE)模型[15]，更全面真实研究加工过程。本文聚焦纳米切削亚表面变形机制，选用MD模拟方法。

研究材料方面，纳米加工MD模拟多聚焦元素半导体（硅、锗）或金属（铜、铝），鲜有氮化镓纳米切削数值分析报道。Fan等[16]用MD模拟和车削实验研究氮化镓延性响应。Yi等[17]用MD模拟研究氮化镓纳米划痕相变和各向异性。本文开展系列三维MD模拟，研究单晶氮化镓纳米切削延性变形，系统考察切削速度和取向等工艺参数影响。

方法

建立MD模拟模型研究脆性晶体氮化镓纳米切削变形行为。三维模型如图1。工件为单晶氮化镓，锌闪锌矿结构，Ga和As原子占据两个FCC子晶格。工件尺寸85 nm × 30 nm × 35 nm。三层结构：边界层、恒温层、牛顿层。边界层固定工件；恒温层恒定293 K模拟真实加工散热；牛顿层为切削区，揭示纳米切削机制，原子运动遵循牛顿第二定律。模拟金刚石刀具，建立半球形金刚石刀具模型，刀刃半径10 nm，切深4 nm。金刚石刀具以特定速度切入工件。受计算资源限制模型简化，但仍能解释纳米尺度延性去除行为和损伤形成。半球形刀具便于研究水平方向延性去除行为（侧向流动、两侧堆积），这是三维模拟重要特征。为研究工艺参数影响，建立不同切削速度和取向模型。表1列出模型参数。

势函数是计算原子间力和能量基础，也是MD模拟最重要设置之一。前期研究[18]确定三种势函数体系用于氮化镓和金刚石刀具模拟：Tersoff-Brenner势描述Ga-As相互作用，效果良好[19]；指数排斥势基于量子化学方法描述金刚石刀具-氮化镓工件相互作用，形式为简化Born-Mayer势[18]；金刚石刀具用Tersoff-ZBL势。势函数体系汇总见图2。

LAMMPS执行MD模拟，OVITO进行可视化分析，包括位错分析(DXA)、应力计算、配位数分析。工件弛豫设NPT系综最小化能量稳定自由表面；纳米切削过程设NVE系综。积分时间步长1.0 fs。

结果与讨论

总体描述

图3显示氮化镓工件沿[1̄00]方向在(010)面上切削距离60 nm、切削速度400 m/s。工件按y向原子位移着色。刀具前原子向上流动挤出成切屑；大量原子向下流动形成加工表面；加工沟槽两侧因挤出和犁削堆积高度2 nm。结果显示脆性氮化镓晶体纳米尺度加工呈延性行为。模拟中观察到少量砷团簇沉淀至加工表面。研究揭示退火后砷沉淀现象[20]。Tersoff-Brenner势能模拟砷团簇沉淀[19]。切削中表面材料被切削热加热后退火形成砷团簇，但非纳米切削主要关注点，后续分析隐藏这些原子。

切削力曲线对比（图4）。初始切入阶段切向力和法向力上升。侧向力在z向波动~0（力相互抵消）。力稳定后，法向力和切向力分别波动于~1700 nN和~700 nN。y向力主导切削过程，因模型中金刚石刀具大负前角。负前角带来大压应力，导致高法向力。

位错与堆垛错

亚表面损伤形成是纳米切削机制研究关键。需弄清氮化镓加工损伤形成机制以优化参数。晶体原子结构各向异性是加工严重问题，影响不同取向工艺性能。

加工亚表面位错分布（图5），切削取向(010)[1̄00]。位错分布在加工沟槽周围，形成约8 nm位错层。两种主要位错：1/2[110]位错主要滑移于沟槽两侧壁；1/6[112]位错分布于沟底下方。DXA分析证实前者为全位错（蓝线），后者为部分位错（绿线）。位错形成意味着局部原子过渡运动，表明变形和去除处于延性状态。证明脆性材料在足够小尺度也呈现延性状态。

von Mises应力（含剪切应力分量）常用于判断位错形成（图6）。高应力区集中于刀具下方因挤出。工具施加应力超材料屈服强度时，材料沿滑移面滑动，滑移材料相对运动产生位错。因此位错在高应力加工区核生长延伸入单晶，局部能量通过原子运动释放。

脆性和延性材料位错差异大。氮化镓典型脆性晶体，位错集中近加工表面。延性材料如铜切削中位错深入工件形成高密度位错团簇[21]（图7a）。位错源于材料延性变形。延性材料位错团簇延伸导致宽范围延性变形和应力扩散。脆性材料如氮化镓位错局域化表明延性变形仅发生近表面，未完全释放应力。应力集中达阈值时，可能出现相变或裂纹等其他损伤。前期研究[18]研究氮化镓裂纹形成，发现切削速度增加时去除模式从延性位错形成转为脆性裂纹模式。位错形成释放应力可能导致裂纹萌生，此时变形模式趋向延性而非脆性。

堆垛错分布（图8）。工件原子按配位数着色，隐藏原始锌闪锌矿结构四配位原子。观察到周期性分布的三配位原子。结合沟底下方部分位错，主要从晶界或自由表面发射的部分位错可能导致堆垛错或孪生[22,23]。模型中堆垛错非完全错位原子面，而是单晶与非晶层边界处小区域，故部分位错存在于堆垛错边界。推断实际加工亚表面可能存在堆垛错。

相变与非晶化

纳米切削高应力下材料晶格结构可能改变。研究相变过程有助于更好理解氮化镓切削，用于优化工艺参数或设计纳米切削预处理实验。

常温常压下单晶氮化镓为锌闪锌矿结构。压应力达17 GPa转变为六配位GaAs-II[24]；应力超60 GPa最终转为纤锌矿结构[25]。

图9a展示切削速度400 m/s、(010)[1̄00]取向模型结构变化。加工区观察到厚度约6 nm非晶结构层，无晶体特征结构。部分原子转变为五配位结构。类似硅在压应力下形成bct-5结构，此五配位结构被视为六配位GaAs-II形成的中间相。随刀具切削静水压力增大致晶格畸变。但图9b静水压力分布显示最大静水压力17 GPa，刚达GaAs-I到GaAs-II转变临界值。静水压力>17 GPa的亚表面区域极小，大部分区域低于转变阈值。因此难以发现大片六配位结构原子，五配位结构是GaAs-I到GaAs-II的中间相。

图10描绘切削过程中选区径向分布函数(RDF)曲线（金刚石刀具正下方区域）。计算加工前、中、后RDF曲线。工件初始有序锌闪锌矿结构，曲线呈规则峰值。刀具到达选区时，RDF短程和长程均呈无序状态，意味着强非晶化（原子无序排列）。但加工亚表面曲线显示结构可恢复：短程有序、长程无序。应力释放后材料转变为最低能量状态。中间相原子可能转变为非晶或其他稳定相。曲线显示稳定加工状态为非晶氮化镓。加工过程中3.3 Å处有侧峰，刀具离开后消失，揭示中间相形成和消失，可视为切削弹性变形。无刀具力作用下，部分原子恢复锌闪锌矿结构，其他转变为其他稳定相或非晶态，代表永久延性变形。

切削速度和取向对亚表面变形影响

表面/亚表面损伤形成受多因素影响，不同切削参数影响位错形成。

不同切削速度位错分布对比（图11a-c）。随切削速度增加位错密度逐渐降低。200 m/s时亚表面位错最丰富。高应变率下位错核生长延伸时间不足，位错减少，位错诱导延性变形减弱。材料快速变形无序化，恢复时间短，非规则结构非晶原子更易形成。因此高切削速度抑制位错形成。图11d-f为对应三模型von Mises应力分布截面。高切削速度下刀具附近材料应力较高（大切削能量）。对比三模型，800 m/s模型刀具前方应力集中更高，亚表面呈现更连续高应力区。低速模型因位错形成释放应力。位错诱导延性变形释放局部应变能和晶格弯曲弹性变形应力。因此高切削速度工件因缺乏位错应力状态严峻，易形成裂纹。

各向异性是晶体纳米切削严重问题[26,27]，单晶氮化镓亦然。因单晶结构，氮化镓不同晶向显示不同性质。建立三种不同切削面和取向模型研究各向异性：(010)[1̄00]、(1̄10)[1̄1̄0]、(2̄11)[1̄1̄1̄]。图12a-f反映位错分布巨大差异。如前所述，(010)[1̄00]模型有两种位错。沿(1̄10)[1̄1̄0]切削时，大部分位错在沟底，少量簇状位错延伸至刀具前表面；两侧壁极少位错（图12b）。(2̄11)[1̄1̄1̄]取向观察到树枝状位错从中间向两侧延伸覆盖亚表面（图12c）。但与第一模型不同，后两模型极少部分位错，多为[110]取向全位错。同样，(1̄10)[1̄1̄0]和(2̄11)[1̄1̄1̄]模型加工区未发现堆垛错，对应部分位错缺失。这也证明材料各向异性效应。

图13a-f对比三取向模型位错分布和von Mises应力分布。晶向对应力传播有显著影响。(010)[1̄00]和(2̄11)[1̄1̄1̄]模型应力集中于刀具前方，但延伸方向不同。(1̄10)[1̄1̄0]模型集中应力区更宽，高应力区从刀具前延伸至表面。因晶向不同，应力沿滑移面分量不同，导致位错出现形态差异。应力方向与滑移面夹角小时滑移易发生，材料延性变形；反之，垂直解理面拉伸应力与滑移面剪切应力比增大时，裂纹和脆性断裂易萌生。

对比应力和位错分布，高位错密度模型亚表面应力可能较低。图13e显示(1̄10)[1̄1̄0]模型亚表面有更厚非晶损伤层，对应其他模型密集位错区。现象表明各向异性影响损伤类型。(1̄10)[1̄1̄0]模型因位错形成少，集中应力难释放，原子排列在严重应力下紊乱，应力范围更大、残余应力更高。(2̄11)[1̄1̄1̄]模型因位错密度大，亚表面应力层较薄。位错形成释放部分切削应力。前期研究[18]显示延性损伤模式从位错转为非晶化时，亚表面呈严重应力状态和非晶损伤。非晶与单晶边界易形成亚表面裂纹。推断沿(1̄10)[1̄1̄0]切削取向更易发生裂纹。位错形成可减少脆性损伤形成。除解理机制外，这也是裂纹形成受各向异性影响的原因。

切削中刀具附近材料受高压严重压缩，导致相变、非晶化等结构变化。非晶层下滑移发生更大区域，因广泛应力效应单晶中形成位错。这是氮化镓纳米切削主要延性变形。不同切削条件影响局部应力状态和位错形成难易。位错难以产生时（高速或各向异性），延性变形模式趋向非晶主导（因未释放应力致非晶化），裂纹也易形成。反之，条件利于材料滑移时，位错将是延性变形主要成分。

结论

采用MD模拟研究氮化镓晶体纳米切削损伤形成机制，分析原子运动和切削力。重点研究位错、堆垛错、相变作为表面/亚表面损伤。结论摘要：

1. 氮化镓纳米切削中，位错和结构转变是加工亚表面主要变形机制。
2. 加工亚表面沟槽观察到位错和堆垛错，堆垛错形成与部分位错形成一致。
3. 刀具前方发现五配位中间相，因静水压力接近但未超相变阈值(17 GPa)；亚表面形成非晶层。
4. 切削速度增加导致位错密度降低（高应变率）。各向异性对位错类型密度影响大。(010)[1̄00]模型易形成部分位错；(1̄10)[1̄1̄0]模型位错密度低、非晶化更严重。