资源描述：
《纳米加工过程的分子动力学模拟技术研究_白清顺》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。
1、第4期微细加工技术l142006年8月MICROFABRICATIONTECHNOLOGYAug1,2006文章编号:1003-8213(2006)04-0057-06纳米加工过程的分子动力学模拟技术研究白清顺,梁迎春,李德刚,杨春利(哈尔滨工业大学,哈尔滨150001)摘要:简要回顾了采用分子动力学方法模拟纳米加工过程的历史,介绍了分子动力学仿真方法的基本原理以及典型单晶体材料纳米切削机理的分子动力学仿真研究成果,并从模型建立、模拟尺度以及工件和刀具的影响等方面分析了纳米加工过程分子动力学模拟研究的最新进展。结果表明,建立三维大规模及多尺度的纳米加工仿真模型已经成为目前研究的
2、主要方向;工件和刀具对纳米加工影响的研究也逐渐深入,涉及工件的晶向、缺陷以及刀具参数和磨损等方面的问题。关键词:纳米加工;分子动力学;计算机仿真;切削中图分类号:TS643文献标识码:A[4-7]1引言工件的切削机理以及刀具的磨损机理等方面。总之,分子动力学仿真技术在纳米加工过程中的应随着科技的发展,纳米尺度下工件和刀具的特用为人类认识微/纳米加工尺度下的各种现象提供性以及同纳米加工过程相关的各种现象已经引起了了重要手段。本文将简述分子动力学仿真算法,分人们的普遍关注。分子动力学(moleculardynamics,析纳米切削中材料的去除机理,从仿真模型、模拟尺MD)具有沟通宏
3、观特性与微观结构的作用,为研究度及工件和刀具对加工的影响等方面揭示纳米加工和探索纳米尺度下的加工过程提供了一种有效的仿过程分子动力学模拟研究的最新进展。真方法。20世纪50年代末,Alder和Wainwright首先将2分子动力学仿真算法分子动力学应用于气体和液体的状态方程的研究[1]中。80年代末,美国的劳伦斯实验室开拓性地将分子动力学仿真是指用计算机模拟原子的运分子动力学模拟应用于加工领域的研究。1989年,动、计算系统的结构和性质的过程,其中每一个原子Hoover等人首先利用分子动力学模拟研究了单晶铜被视为在全部其它原子所提供的势场作用下按牛顿[2]加工表面的微摩擦问题。
4、此后,Belak和Stowers定律运动,其步骤主要包含以下几个方面:以单晶铜为研究对象,进行了压痕和切削过程的分211仿真模型子动力学模拟。90年代末,美国Oklahoma州立大采用分子动力学方法对纳米切削过程进行仿学的Komanduri和Chandrasekaran进行了单晶硅切真,首先要建立仿真系统的模型,它包括系统几何模削过程的分子动力学模拟,研究了刀具几何形状以型的构建、设定必要的截断半径等。在分子动力学[3]及晶向对纳米加工过程的影响。1990年,日本的仿真计算中,为了减少作用力的计算耗时,一般采用Ikawa,Shimada和Inamura等人应用分子动力学研截断半
5、径或截断函数的方法来解决,即预先选定一究了超精密及纳米加工过程。在中国,对分子动力个截断半径rc,只计算以截断半径rc为球体以内的学纳米切削过程模拟的研究主要涉及纳米摩擦学、原子之间的作用力,而当原子间的距离超过rc时,收稿日期:2006-02-20;修订日期:2006-04-06基金项目:国家自然科学基金资助项目(50175017);哈尔滨工业大学博士科研启动基金资助项目(2004)作者简介:白清顺(1974-),男,黑龙江勃利县人,博士,讲师,主要从事纳米加工仿真技术、金刚石刀具技术及精密非标设备等方面的研究。58微细加工技术2006年则不考虑。在分子动力学切削模型中,一般
6、把工件213运动方程及求解算法原子分为三层,即牛顿层、恒温层和边界层,如图1势函数确定以后,分子间作用力便可以通过势所示。牛顿区的原子运动由牛顿方程加以描述;恒函数对rij求导得出分子间作用力。由统计物理可温层是为了使系统温度保持恒定;边界区的原子始知,对于一个由大量粒子组成的物理系统而言,其宏终保持不动,也不发生原子振动。观特性是这些粒子运动状态的综合反映,因此,分子动力学模拟的核心问题就是要计算所有粒子的运动规律。粒子的运动方程是一组常微分方程组,求解的基本原理是利用有限差分法,以一定的时间步长对方程沿时间轴进行积分。适用于分子动力学模拟的算法有Euler法、Gear法、B
7、eeman法、Verlet法和[8]Leap-frog法等。214仿真程序设计及结果后处理实现纳米加工过程的分子动力学仿真需要首先给定研究系统的初始状态,即所有原子的初始位置和初始速度。为了简单方便起见,一般将初始位置图1分子动力学切削仿真模型选在晶格的格点上,而初始速度由波尔兹曼分布得出,或简单的全部置为零。仿真结果后处理可以采212原子间势函数用专用的后处理软件读取分子动力学仿真步骤中产在分子动力学仿真系统中,各粒子之间的作用生的瞬间原子位置文件以及切削力和能量文件,形力是通过量子力学的
