Exploration de l'usinage nanométrique par pointe via la dynamique moléculaire : une revue complète

Résumé

Les approches d'usinage nanométrique par pointe (UNP) se sont révélées être une technique puissante et réalisable pour la fabrication de microstructures. La simulation par dynamique moléculaire (DM) a été largement appliquée à l'UNP pour explorer les mécanismes qui ne peuvent pas être entièrement révélés par les expériences. Cet article passe en revue les progrès scientifiques récents dans la simulation DM de l'approche UNP. Les méthodes d'établissement du modèle de simulation pour divers matériaux sont d'abord présentées. Ensuite, l'analyse du mécanisme d'usinage pour l'approche UNP est discutée, incluant l'analyse des forces de coupe, l'analyse de l'enlèvement de matière et l'analyse des défauts en sous-surface. Enfin, les lacunes actuelles et les perspectives futures de la méthode UNP dans les simulations DM sont données. Il est espéré que cette revue puisse fournir une certaine référence pour les recherches ultérieures.

Introduction

La technologie de micro/nanofabrication a été largement utilisée dans divers domaines, notamment l'environnement, l'énergie, la biologie, la médecine, la défense nationale et d'autres secteurs, jouant un rôle de plus en plus important dans la promotion du développement national et du progrès social [1,2,3,4]. Pour réaliser une micro/nanofabrication de haute précision, l'approche d'usinage mécanique basée sur la pointe de microscopie à force atomique (MFA), connue sous le nom d'UNP, présente un équipement et des opérations simples, une précision d'usinage nanométrique avec de faibles exigences environnementales, et s'est avérée être une approche puissante et réalisable pour fabriquer des microstructures [5, 6]. Jusqu'à présent, des nanodots, des lignes/gouttières, des structures bidimensionnelles (2D)/tridimensionnelles (3D), et même des nanostructures sur surfaces courbes, connues comme les principaux composants des nanodispositifs, ont déjà été fabriquées avec succès par la méthode UNP [7].

Pour fabriquer des nanostructures avec une précision plus élevée, une compréhension approfondie du processus d'usinage des méthodes UNP est nécessaire. De nombreux chercheurs ont étudié le mécanisme de l'approche UNP par des expériences sur divers matériaux, tels que les métaux [8], les semi-conducteurs [9, 10] et les polymères [11]. Cependant, il est difficile d'approfondir l'investigation du mécanisme interne des approches UNP par des expériences. La simulation par dynamique moléculaire (DM) s'est avérée être un outil puissant pour explorer le processus d'usinage nanométrique qui ne peut pas être entièrement révélé par les expériences [12, 13]. Comparée à la méthode expérimentale, la méthode DM peut mieux expliquer le mécanisme microscopique de l'enlèvement de matière et de la génération de surface par l'analyse des forces de coupe, de l'état de contrainte, de la dissipation d'énergie et de la topographie de surface [12].

Par le passé, certains chercheurs ont déjà utilisé la technologie de simulation DM pour étudier les processus UNP. Fang et al. ont étudié les effets de l'avance de rayage et de l'angle de cône sur le processus de nanolithographie [14, 15]. Isono et Tanaka ont analysé les effets de la température, de l'aptitude à l'usinage et des forces interatomiques du nickel [16, 17]. Yan et al. ont étudié les effets de la géométrie de la pointe dans le processus de lithographie basé sur MFA [18]. Actuellement, certains nouveaux processus UNP ont été étudiés avec des simulations DM. Xiao et al. ont comparé la différence entre la méthode de labour statique et la méthode de labour dynamique, et ont découvert que des nanostructures plus petites pouvaient être fabriquées avec la méthode de labour dynamique [19]. Geng et al. ont réalisé des simulations DM de nanorayage à charge contrôlée en appliquant directement une charge normale constante sur la pointe [20]. Afin de fabriquer des nanorainures avec une densité plus élevée, l'avance minimale (AM) doit être étudiée. Ren et al. ont présenté une nouvelle approche impliquant un critère grossier-à-fin pour déterminer l'AM avec l'utilisation de simulations DM [21]. Les résultats montrent qu'une AM de haute précision est obtenue. Cependant, dans les articles de revue précédents [12, 13, 22,23,24], ces nouveaux progrès de la technologie de simulation DM utilisée pour le processus UNP ne sont pas inclus. Ainsi, dans cette revue, nous nous concentrons sur l'état de l'art récent de la simulation DM pour les méthodes UNP. Les technologies de modélisation dans divers matériaux et les nouvelles méthodes d'usinage sont d'abord discutées. Ensuite, le mécanisme des méthodes UNP est passé en revue, incluant l'analyse des forces de coupe, l'analyse de l'enlèvement de matière et l'analyse des défauts en sous-surface. Enfin, les défis restants et les perspectives futures dans la simulation DM de l'UNP sont également donnés dans cette revue.

Méthodes de simulation

Pour obtenir des résultats de prédiction précis, il est nécessaire d'optimiser le modèle de simulation et la configuration de traitement associée. Le modèle de simulation contient principalement la configuration atomique et la fonction de potentiel. La configuration atomique peut être catégorisée en structure cristalline et amorphe. Les atomes dans les matériaux cristallins tels que le cuivre, le fer, le silicium, etc. sont disposés de manière régulière et ordonnée, tandis que les matériaux amorphes comme les polymères sont composés de chaînes moléculaires irrégulières. Le comportement des matériaux à l'échelle nanométrique est représenté dans les simulations DM au moyen de fonctions de potentiel, et diverses fonctions de potentiel ont été proposées et utilisées pour simuler le comportement des matériaux dans les simulations atomistiques. De plus, la configuration de traitement doit également être prise en compte, telles que les diverses conditions d'usinage et approches d'usinage. Les sections suivantes présenteront les méthodologies d'établissement du modèle et la configuration de traitement.

Établissement du modèle DM

La configuration atomique interne des matériaux cristallins est variée, comme le cuivre (cubique à faces centrées), le fer (cubique à corps centré), le titane (hexagonal compact) et le silicium (structure diamant) [27, 28]. La plupart des matériaux cristallins se présentent sous forme de structure monocristalline et polycristalline. Le solide monocristallin a une structure atomique qui se répète périodiquement sur l'ensemble de son volume en l'absence de défauts. La duplication de la maille élémentaire dans les trois directions spatiales permet d'établir facilement le modèle monocristallin [13]. Lors de l'établissement du modèle atomique DM, les diverses orientations de surface doivent être considérées, ce qui peut influencer les propriétés d'usinage de la pièce [29,30,31]. La structure polycristalline a une structure avec différentes tailles de grains, qui a été construite selon la méthode de tessellation de Voronoï [32]. Le matériau nanotwinné (NT) est un type de structures spéciales de polycristal qui est devenu un objet de recherche plus important en raison de ses propriétés mécaniques exceptionnelles, telles qu'une résistance ultra-élevée, une bonne ductilité et une ténacité à la fracture élevée [33,34,35,36]. Dans cette revue, la méthode de construction du Cu polycristallin NT est donnée comme exemple [25] : d'abord, une multicouche composée de plusieurs couches de Cu monocristallin d'épaisseur égale est construite et des joints jumeaux se forment entre les couches adjacentes. Ensuite, l'angle de chaque grain est calculé. Enfin, le polycristal NT avec conditions aux limites périodiques est généré en utilisant la construction de Voronoï, qui accommode la multicouche et l'angle de grain obtenu. La figure 1a présente les configurations atomiques du cuivre incluant le Cu monocristallin, le Cu polycristallin et le Cu polycristallin NT, dans lesquelles les atomes sont colorés selon le voisinage commun.

Dans les études précédentes, le polymère était modélisé avec un modèle grossier générique [37, 38]. Par exemple, les détails pour établir le modèle de polyéthylène (PE) sont donnés comme suit [39] : (i) le système PE initial avec 10 chaînes moléculaires a été obtenu avec l'algorithme de marche aléatoire auto-évitante de Monte Carlo [39] ; (ii) le premier atome de chaque chaîne a été inséré dans un site disponible du réseau au début, puis la chaîne moléculaire a commencé à croître dans une certaine direction selon une manière probabiliste étape par étape selon la longueur de liaison et les sites non occupés dans la cellule ; (iii) une fois la densité initiale donnée, la taille de la boîte de simulation est déterminée. Dans notre simulation, la dimension de la boîte de simulation initiale était d'environ 80,06 × 80,06 × 80,06 ų pour le système composé de 10 chaînes PE. Le modèle DM de PE est montré en Fig. 1d.

La géométrie de la pointe est généralement complexe et variable, incluant la forme conique [40], la pyramide triangulaire [18] et l'hémisphère (forme émoussée) [21], ce qui joue un rôle important dans le processus UNP. En particulier, la forme de l'outil pyramidal dans le modèle DM est cohérente avec celle dans le processus d'usinage MFA et l'outil sphérique est cohérent avec le grain abrasif dans le processus de rectification ; ainsi, le mécanisme d'usinage peut être mieux expliqué en comparant les résultats de simulation avec les résultats expérimentaux. Dans la plupart des cas, la pointe est considérée comme infiniment rigide, ce qui est réalisé en conservant les positions relatives des atomes constantes et en se déplaçant à vitesse constante [41].

Il est également crucial de sélectionner les fonctions d'énergie potentielle appropriées qui déterminent la crédibilité des résultats de simulation [21]. L'EAM est un potentiel multicoorps adapté aux systèmes métalliques [24]. Il fournit une description plus réaliste de la cohésion métallique et évite l'ambiguïté héritée de la dépendance au volume, et est employé pour décrire l'interaction entre atomes métalliques, comme le cuivre [42] et le fer [43]. Les potentiels de Tersoff [44] et de Stillinger-Weber (SW) [45] se sont avérés particulièrement faisables pour modéliser les matériaux avec une structure cubique diamant. Pour étudier le mécanisme du Si dans le processus UNP, le glissement de dislocation et la transformation de phase doivent être observés dans les simulations DM. Comparé au potentiel de Tersoff, le potentiel SW non seulement a suffisamment de flexibilité pour décrire un certain nombre de configurations différentes du silicium, mais fournit également la correspondance la plus proche avec les résultats de nucléation de dislocation ab initio dans le silicium sans défaut [46, 47]. Ainsi, la fonction de potentiel SW peut avoir plus de potentiel pour décrire l'interaction entre atomes de silicium. Le potentiel d'ordre de liaison analytique (ABOP), le potentiel d'ordre de liaison empirique réactif (REBO) et le potentiel d'ordre de liaison empirique réactif intermoléculaire adaptatif (AIREBO) sont une classe de potentiels qui étendent la fonction de potentiel de Tersoff selon l'approximation de liaison forte et reposent sur des quantités fondamentales [48]. Le potentiel ABOP est idéal pour les interactions entre atomes de silicium et de carbone, utilisé pour étudier la déformation du matériau et le comportement d'enlèvement dans le processus de SiC. Le potentiel REBO est particulièrement populaire dans les simulations de carbone et de nanotubes de carbone. Le modèle AIREBO a été développé pour surmonter les déficiences de la fonction de potentiel REBO, fournissant une approximation plus précise que celle des termes REBO et ajoutant des capacités de modélisation d'interactions plus complexes [41]. Les interactions intermoléculaires et intramoléculaires dans l'échantillon de polystyrène sont décrites par le potentiel AIREBO bien établi [49].

La majorité des simulations DM a été réalisée avec l'utilisation du Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator (LAMMPS) [50]. Certains modèles de pièces complexes comme les matériaux polycristallins et polycristallins nanotwinnés peuvent être réalisés avec Atomsk [51]. La construction des polymères, incluant atomes, angles de liaison, impropres et leurs divers types sont obtenus à partir du fichier de données généré par Material Studio (MS) [52]. Les outils Open Visualization Tool (OVITO) [53] et visual molecular dynamics (VMD) [54] sont utiles pour visualiser le modèle ou le processus d'usinage.

Avec l'utilisation de simulations DM, divers modèles de matériaux peuvent être établis efficacement. Cependant, la plupart des modèles de pièces sont inférieurs à 50 nm × 50 nm × 50 nm en taille, ce qui peut entraîner une déviation par rapport aux résultats réels [40, 55, 56]. De plus, il manque encore des fonctions de potentiel qui pourraient décrire efficacement certains matériaux comme le GaAs et le Lu₂O₃. Ainsi, les modèles DM et les fonctions de potentiel associées doivent encore être optimisés pour décrire le processus de simulation plus précisément.

Configuration de traitement

Dans les expériences UNP, le mode à charge contrôlée est généralement réalisé en appliquant une charge normale constante sur la pointe. Ce mode a démontré une précision plus élevée, en particulier pour l'usinage nanométrique sur surfaces inclinées ou courbes. Cependant, de nombreuses simulations DM de processus UNP sont effectuées en mode à déplacement contrôlé, ce qui peut entraîner des différences entre simulation et expérience [18, 57]. Ainsi, certains chercheurs ont réalisé des simulations DM de nanorayage à charge contrôlée en appliquant directement une charge normale constante sur la pointe [20, 58]. Dans les processus d'usinage, on peut distinguer trois parties : l'étape de relaxation, l'étape de pénétration et l'étape de rayage. De plus, la pointe n'est pas complètement perpendiculaire à la pièce en raison de la flexion du faisceau du microscope à force atomique (MFA), du substrat avec un angle d'inclinaison, ainsi que de la rugosité de la surface de l'échantillon. Ainsi, l'effet de l'inclinaison de la pointe ne doit pas être négligé. Liu et al. ont choisi des pointes avec différents angles d'inclinaison pour étudier l'effet de l'inclinaison de la pointe sur les résultats d'usinage [59]. En outre, l'usure de la pointe est un facteur clé pour le processus d'usinage, qui a une grande influence sur la qualité d'usinage. Le nanorayage avec lubrification par couche d'eau peut réduire l'usure de la pointe pour augmenter la durée de vie de l'outil et garantir la qualité d'usinage. Cependant, le mécanisme d'usinage affecté par la lubrification par couche d'eau n'est toujours pas bien compris. Pour résoudre ce point, Ren et al. ont utilisé la méthode de simulation DM pour étudier les effets de la lubrification par couche d'eau sur les résultats d'usinage avec un cuivre monocristallin [60].

Le processus de rayage unique s'est avéré être une méthode facile pour fabriquer une nanorainure, mais il a une limitation sur la dimension de la rainure. La méthode de rayage multi-pass a été présentée pour agrandir la taille de la nanorainure [62]. Geng et al. ont étudié la différence entre l'approche mono-pass et l'approche multi-pass avec simulation DM et résultats expérimentaux [20]. Les approches mono-pass et multi-pass peuvent être considérées comme de la lithographie par labour statique, qui sont réalisées avec le mode contact du système MFA. Cependant, la lithographie par labour statique peut induire une usure de pointe non négligeable lors de processus de rayage sur de longues distances. La technique d'usinage basée sur le mode tapping est nommée lithographie par labour dynamique, qui a le potentiel de réduire l'usure de la pointe. La figure 2 montre les schémas de la lithographie par labour statique et dynamique sur cuivre monocristallin, respectivement. Pour le labour statique, la pointe de diamant s'enfonce d'abord vers le bas, puis commence à labourer le long de la direction négative de l'axe x. Après la fin du labour, la pointe est retirée vers le haut jusqu'à sa position verticale d'origine. Pour le processus de labour dynamique, la pointe de diamant se déplace le long d'une courbe sinusoïdale avec une amplitude et une période pointe-valée pointues [19]. Basé sur le principe de la technique d'usinage par mode tapping, Sundaram et al. ont développé une nouvelle méthode de nanomachinage utilisant MFA, appelée usinage par nano-impact assisté par vibration avec abrasifs libres (VANILA). Dans cette méthode, le MFA est utilisé comme plateforme et des nanoabrasifs sont injectés dans la boue entre la pièce en silicium et la vibration de la pointe MFA. L'énergie cinétique pour les abrasifs est générée par la vibration de la pointe MFA et entraîne par conséquent l'enlèvement de matière à l'échelle nanométrique de l'échantillon [61]. La représentation schématique du processus VANILA est montrée en Fig. 2b, c.

Analyse des résultats de simulation

Analyse des forces de coupe

La force de coupe peut refléter clairement le processus d'enlèvement de matière et l'évolution des défauts, ce qui est un paramètre physique important pour comprendre le phénomène de coupe [19, 63, 64]. De plus, la force de coupe est étroitement liée à la puissance de coupe et à la durée de vie de l'outil, ce qui pourrait fournir des orientations dans le processus d'usinage UNP [65]. Dans le processus UNP, la force de coupe est principalement évaluée par la méthode d'étalonnage de force, mais la force latérale ne peut pas être obtenue par cette méthode [66, 67]. En utilisant la technologie de dynamique moléculaire, la variation des forces de coupe, y compris les forces latérales et tangentielles, peut être observée en temps réel pour l'ensemble du processus [68]. De plus, la force moyenne et la force résultante peuvent également être obtenues par la méthode de simulation DM.

Grâce à l'analyse de la variation des forces de coupe, la différence des diverses structures de matériaux et l'influence des paramètres d'usinage sur le processus UNP peuvent être reflétées. Li et al. ont trouvé des forces plus élevées pour le rayage sur Cu polycristallin comparé au Cu monocristallin, attribué au fait que l'anisotropie du grain de surface a peu d'effet entre la pièce et la pointe lorsque la pointe passe d'un grain à un autre d'orientations cristallines différentes, tandis qu'un écoulement plastique stable est observé dans l'enlèvement de matière du Cu monocristallin en raison de son système d'orientation unique [25]. Il a également été trouvé que la force de coupe pour différentes structures cristallines augmente avec l'incrémentation de la vitesse de coupe car une vitesse de nanorayage plus élevée produit plus de copeaux [69]. Au contraire, la variation de la force de coupe présente un comportement adverse dans le processus de rayage de SiC, car une vitesse plus élevée peut générer plus d'atomes de structure cristalline amorphe, ce qui rend le matériau SiC plus ductile et plus facile à enlever [70]. Yan et al. ont étudié l'aptitude à l'usinage de bicouches Cu/Ni en utilisant la méthode de simulation DM et ont trouvé que la force des bicouches Ni-Cu est plus élevée comparée au Cu, Ni et bicouches Cu-Ni, puisque le mouvement des dislocations était entravé par l'interface des bicouches qui servait de barrière de propagation [71]. Concernant les polymères amorphes, la propriété d'usinage était influencée par la vitesse de rayage sous trois aspects différents comme suit [72] : premièrement, la plus grande hauteur d'accumulation devant la pointe générée à vitesse plus élevée conduit à une force tangentielle plus grande en raison de plus de résistance à la pointe. Ensuite, une vitesse plus élevée conduit à un taux de déformation plus élevé, ce qui peut provoquer le durcissement par écrouissage du matériau. Cela conduirait également à l'incrémentation des forces de coupe. Finalement, avec l'incrémentation de la vitesse, l'effet de ramollissement thermique permet à la pièce d'être usinée plus facilement, réduisant la force tangentielle et la force normale. Dans les processus d'usinage des polymères, les forces de coupe augmentent avec l'incrémentation de la vitesse, indiquant que l'effet d'accumulation et l'effet de durcissement par taux de déformation jouent des rôles plus importants dans la détermination des forces de rayage. En plus de l'influence des matériaux de la pièce, la géométrie de la pointe joue également un rôle important dans le processus d'usinage [18, 73, 74]. Ren et al. ont étudié l'effet des angles de pointe sur les forces de coupe avec une pointe de forme conique. Il a été trouvé que les forces augmentent avec l'augmentation des demi-angles au sommet en raison de la croissance de la zone de contact entre la pointe et les matériaux de la pièce [21]. De plus, le coefficient de frottement diminue fortement avec le demi-angle au sommet, tandis que la dureté augmente [75].

Certains chercheurs ont également étudié la variation de la force de coupe dans des conditions d'usinage spécifiques. Ren et al. ont analysé la corrélation entre l'épaisseur de la couche d'eau et les forces de rayage. La variation des forces de rayage avec le changement d'épaisseur de la couche d'eau est montrée en Fig. 3. Contrairement au processus de macro-rayage où la couche d'eau joue principalement un rôle de lubrification et de réduction de la force de coupe, la résistance de la couche d'eau est dominante comparée à l'effet lubrifiant et une couche d'eau plus épaisse conduit à des forces de coupe totales plus grandes [60]. De plus, l'effet de l'inclinaison de la pointe est également discuté par l'analyse de la dureté (force normale par atome) et du coefficient de frottement [59]. Les résultats montrent que la dureté normale est plus sensible dans la direction avant ou arrière et que l'effet de l'inclinaison de la pointe latéralement peut être négligé. En outre, l'effet d'inclinaison sur la force normale est la raison principale du changement de coefficient de frottement et l'effet d'inclinaison sur la force de rayage est beaucoup moins que l'effet sur la force normale.

En comparant la force de coupe entre le labour statique et le labour dynamique, la différence de mécanisme peut être révélée. La force de coupe dans la lithographie par labour dynamique oscille drastiquement avec le tapping périodique de la pointe de diamant, tandis que de légères fluctuations sont observées dans le labour statique. De plus, la force d'usinage moyenne dans le labour dynamique est inférieure à la moitié de celle dans le labour statique, indiquant moins d'usure de la pointe dans la lithographie par labour dynamique [19]. Dans le processus de labour dynamique, l'orientation de la pointe a une grande influence sur la force de coupe. Yan et al. ont combiné la profondeur de rainure et la force de labour pour comparer l'efficacité d'usinage. Les résultats montrent que le côté face avant de la pointe a la meilleure efficacité car il avait une force de labour similaire à celle de l'orientation face avant de la pointe mais en même temps plus du double de la profondeur de rainure [63]. Grâce à l'analyse des forces de coupe, le mécanisme du processus d'usinage UNP avec divers matériaux et conditions d'usinage peut être davantage expliqué. De plus, la comparaison des forces de coupe dans divers modes de traitement pourrait fournir des orientations pour l'optimisation du processus de l'approche UNP.

Analyse de l'état d'enlèvement de matière

L'analyse de l'état d'enlèvement de matière est également une méthode essentielle pour révéler le mécanisme de l'approche UNP. L'enlèvement de la matière et la topographie dans le processus d'usinage sont généralement observés par microscope électronique à balayage (MEB) et MFA. Cependant, la morphologie de la rainure et l'état d'enlèvement ne peuvent être détectés qu'après le traitement et le processus d'enlèvement de matière ne peut pas être compris dynamiquement. Récemment, Zhang et al. ont utilisé des outils de coupe linéaires directement connectés dans le MEB pour voir le processus de formation de copeau dans la coupe de matière, bien que cette méthode soit compliquée et que le MEB doive être modifié [76]. Ainsi, cette méthode est difficile à généraliser. Comparée à la méthode expérimentale, la méthode de simulation DM peut être facilement utilisée pour explorer le mécanisme d'enlèvement de matière et la génération de surface à l'échelle nanométrique, et le processus d'usinage peut être observé en temps réel par la méthode DM.

On sait d'après les résultats de simulation DM du processus UNP que les états de déformation sont classés en état de labour et état de coupe. Avec le mouvement de la pointe, les atomes du matériau de la pièce devant la pointe sont comprimés et s'accumulent ensuite pour former le copeau continu pendant l'état de coupe. Simultanément, il y a aussi certains atomes de matériau de la pièce qui s'accumulent sur les côtés gauche et droit de la rainure fabriquée après le passage de la pointe [57]. En comparant le rapport de l'état de coupe à l'état de non-coupe, on peut savoir si l'état de coupe ou l'état de labour occupe la part dominante lorsque divers rayons de pointe sont utilisés pour rayer à différentes profondeurs de rayage [77]. Ces dernières années, de nombreux chercheurs ont approfondi l'investigation des propriétés des matériaux sur les états d'enlèvement de matière. Par exemple, le matériau monocristallin montre une anisotropie dans le processus UNP, qui a un grand effet sur l'enlèvement de matière [20]. Comparé aux matériaux monocristallins, les joints de grains ont un effet important sur les propriétés mécaniques des matériaux polycristallins. Gao et al. ont trouvé que l'orientation des grains plutôt que la taille des grains est également dominante dans la détermination du profil de l'accumulation [78]. De plus, la géométrie de la pointe a aussi un fort effet sur l'enlèvement de matière. Trois types de pointe (conique, pyramide triangulaire et hémisphérique) ont été sélectionnés pour révéler l'effet de la géométrie de la pointe sur l'état d'enlèvement de matière. Pour la pointe conique, il y a une dépendance claire vis-à-vis du demi-angle au sommet. Un demi-angle au sommet plus grand de la pointe conduit à un volume de copeau plus important et améliore la lissité de la surface de rayage, mais nécessite une force de rayage plus élevée, génère un coefficient de frottement plus grand et une température plus élevée dans la pièce, et augmente les dommages en sous-surface [40]. Alhafez a également étudié l'effet du demi-angle au sommet sur la formation de l'accumulation [75]. Il a été trouvé que lors du rayage avec un petit demi-angle au sommet de la pointe, l'accumulation s'accumule principalement dans la direction avant, tandis que l'accumulation latérale domine pour la condition d'usinage du grand demi-angle au sommet de la pointe. Certaines études se sont concentrées sur la pointe pyramidale triangulaire qui est cohérente avec la géométrie réelle de la pointe dans le processus d'usinage basé sur MFA [19, 20, 63, 79]. Trois directions d'usinage ont été principalement comparées, qui sont bord-avant, face-avant et côté face-avant. Dans le processus d'usinage de SiC, l'état d'enlèvement de matière peut être simplement contrôlé en ajustant la direction de rayage de l'outil. La direction de rayage bord-avant peut fournir un processus plus stable, ce qui peut résulter en une meilleure précision dimensionnelle et cohérence des rainures obtenues [79]. Cependant, l'état d'enlèvement de matière des polymères est plus sensible à la température comparé aux matériaux métalliques ou semi-conducteurs. Pendant le processus de rayage, la température locale dans la zone de rayage est plus élevée que la température de transition vitreuse, ce qui indique que la pièce dans la zone de rayage peut être enlevée de manière ductile [72]. Zhan et al. ont étudié les mécanismes microscopiques de frottement du polystyrène amorphe. Ils ont trouvé que la flexibilité des chaînes moléculaires augmente avec l'augmentation de la température, ce qui peut permettre aux chaînes moléculaires de s'enrouler et de revenir plus facilement à leur état original [56]. Du et al. ont trouvé que la vitesse d'usinage a une grande influence sur les résultats usinés du polystyrène. Le changement intra-chaîne domine la déformation permanente de l'échantillon de polystyrène lorsque la vitesse d'usinage est faible, tandis que le glissement inter-chaînes est plus prononcé lorsque la vitesse d'usinage est grande [80].

Comme on peut le voir dans la discussion ci-dessus, la plupart des études se sont principalement concentrées sur la condition sèche au lieu des fluides. Cependant, les atomes accumulés devant l'outil sont réduits et les bavures le long des rainures ne sont pas évidentes avec une grande épaisseur de la couche d'eau et la rugosité de surface diminue visiblement et résulte en une surface relativement lisse. Cela peut s'expliquer par le fait que la couche d'eau agit comme lubrifiant pour réduire la région de collage entre l'outil et la surface de copeau fraîchement formée et réduit la force de traînée exhibée à la limite face copeau-outil. La conséquence directe est que la qualité de surface est grandement améliorée. Avec l'augmentation de l'épaisseur de la couche d'eau, la qualité de surface peut être améliorée progressivement [60]. Dans certaines nouvelles approches d'usinage, Shockly et al. ont étudié les effets des paramètres (vitesse d'impact, angle d'impact et température de fonctionnement) dans l'usinage par nano-impact assisté par vibration sur la formation de nanocavités et ont trouvé que les paramètres de fonctionnement ont une influence substantielle sur la profondeur et la largeur des nanocavités générées comme montré en Fig. 4 [61]. Xiao et al. ont trouvé que la profondeur et la largeur de la rainure dans le processus de labour dynamique sont plus petites que celles dans le processus de labour statique, ce qui signifie que des nanostructures avec de petites caractéristiques pourraient être fabriquées par lithographie par labour dynamique. De plus, les dimensions des rainures pourraient être contrôlées par le rapport d'amplitude d'entraînement dans le processus de labour dynamique, et cela démontre que la fabrication des rainures pourrait également être contrôlable [19].

Pendant le processus d'enlèvement de matière, un comportement d'usure existe sur la pointe. Dans la plupart des études précédentes, la pointe est définie comme un corps rigide, ce qui signifie que le phénomène d'usure de l'outil ne peut pas être observé directement [13]. De nombreux chercheurs ont étudié l'usure de l'outil en étudiant l'état d'enlèvement de matière, la contrainte et la distribution de température [70, 77]. Afin de refléter le phénomène réel d'usure de la pointe pendant le processus d'usinage, Meng et al. ont défini la pointe comme un corps déformable et ont trouvé un comportement d'usure de la pointe pendant le processus d'usinage [81]. Les résultats montrent que la forme d'usure de l'abrasif de diamant est principalement l'usure adhésive au stade initial et l'usure atome par atome au stade de stabilité du traitement et la quantité d'usure d'attribution atome par atome de l'abrasif est moins affectée par la vitesse de coupe [81]. Il est notable qu'il y a relativement peu de rapports sur le comportement d'usure de la pointe. Espérons que l'utilisation du corps déformable de la pointe devrait favoriser davantage l'investigation du comportement d'usure de la pointe pendant le processus de nanomachinage.

L'analyse de l'état d'enlèvement de matière fournit un soutien efficace pour la surveillance en temps réel du processus d'usinage. Cependant, en raison de la limitation de l'échelle de longueur mentionnée ci-dessus, la morphologie de la surface usinée et le processus d'enlèvement de matière ne peuvent être analysés que par comparaison qualitative. Il est difficile de prédire les résultats de traitement précis.

Analyse du processus d'évolution des défauts

Pour obtenir des informations sur les défauts générés pendant le processus de rayage, la MET est généralement employée après les techniques de préparation d'échantillon FIB, qui présente plusieurs inconvénients, tels qu'une opération relativement compliquée, un coût élevé et une forte dépendance aux matériaux.

La méthode de simulation DM peut obtenir facilement les défauts générés sous la surface de l'échantillon. De plus, le processus d'évolution des défauts pendant le rayage peut également être observé en utilisant l'approche de simulation DM, ce qui ne peut pas être obtenu par la méthode expérimentale. De nombreux algorithmes disponibles pour extraire les types de défauts ont été présentés, incluant l'analyse des voisins communs (CNA) [82], le paramètre de centrosymétrie (CSP) [83], l'analyse du vecteur de glissement [84], l'analyse d'Ackland-Jones [85], etc. Cependant, ces méthodes ne sont pas adaptées pour tracer la propagation des dislocations, surtout lorsqu'un grand nombre de dislocations sont générées par le rayage de la pointe dans une certaine direction, et nous ne pouvons plus investiguer ce qui se passe à l'intérieur de l'échantillon en utilisant ces méthodes [86]. Chen et al. ont présenté une analyse de glissement pour visualiser le processus de glissement atomique pour la déformation du matériau, qui pourrait filtrer les atomes qui ont glissé par rapport à leurs atomes voisins pendant une période spécifiée dans la condition avec un grand nombre d'atomes [86]. En utilisant cette méthode, Xiao et al. ont étudié le processus de glissement pendant la lithographie par labour dynamique et statique [19]. La relation entre la force de coupe et le processus de glissement est montrée en Fig. 5. On peut voir que pour le labour dynamique, le matériau de l'échantillon s'écoule principalement vers le bas et latéralement, tandis qu'aucun écoulement vers le bas évident n'est observé dans le processus de labour statique. De plus, la propagation de la dislocation dépend de l'orientation de la pointe, conduisant à diverses morphologies des rainures. L'algorithme d'extraction de dislocation (DXA) est aussi un outil d'analyse de dislocation utile pour identifier la dislocation de réseau et déterminer leur vecteur de Burgers [87]. En utilisant cette méthode, Gao et al. ont étudié le comportement du nanorayage du fer. Ils ont trouvé une réorganisation distincte du réseau de dislocation. Au début, la zone plastique croît linéairement avec la longueur de rayage le long du chemin. Ensuite, la densité de dislocation diminue rapidement après certaines réactions de dislocation. L'activité plastique est alors concentrée seulement sur le front de rayage. Seules quelques dislocations restent au milieu du rayage. Des lacunes dans cette zone sont créées par des réactions de dislocation. Il a également été trouvé que des défauts ponctuels lacunes générés par des réactions de dislocation et du maclage par déformation [88].

Pour les matériaux polycristallins, le mécanisme de déformation était médiatisé par la nucléation de dislocation à l'intérieur du grain ainsi que les dislocations de joint de grain dans le matériau polycristallin [43]. Alors que la propagation de la dislocation est associée à la formation de nanovides et de clusters interstitiels dans le cas de plus grande taille de grain, et la formation de jumeaux au joint de grain dominait pour les plus petits clusters. Ce comportement était attribué à la transition du mouvement de dislocation de lisse (grain plus grand) à rugueux (grain plus petit) pendant le processus de rayage. Li a conclu davantage la différence de mécanisme de déformation du matériau concernant le Cu monocristallin, le Cu polycristallin et le Cu polycristallin NT. Les résultats montrent que la déformation plastique est principalement affectée par l'interaction entre dislocations pendant le processus de rayage dans le Cu monocristallin ; tandis que pour le Cu polycristallin, tant les dislocations que les JG dominent la déformation plastique ; et la déformation plastique est contrôlée par les interactions de la dislocation, du joint de grain (JG) et du joint jumeau (JJ) accompagnées de maclage/démaclage [25].

De plus, de nombreuses études se sont concentrées sur la simulation DM du processus UNP sur les matériaux semi-conducteurs, tels que le silicium, le carbure de silicium, l'arséniure de gallium et le nitrure d'aluminium. Pour étudier ces matériaux fragiles, la transformation de phase est aussi un mode de déformation important en plus du glissement de dislocation [89]. L'interaction entre dislocation et transformation de phase varie avec l'orientation cristalline. Les résultats indiquent qu'avant l'événement « Pop-In », le Si (010) subit une déformation inélastique accompagnée de la transformation de phase du Si-I au Si-III/Si-XII, qui ne se produit pas dans le Si (110) et Si (111). Alors que la transformation de phase du Si-I au bct-5 est le mécanisme dominant de plasticité naissante pour chaque orientation cristallographique, et la nucléation de dislocation est aussi un mode de déformation opérant dans la transition élastique-plastique du Si (010). Dai et al. ont étudié le mécanisme de dommage en sous-surface sur le silicium monocristallin pendant le processus UNP. Il a été trouvé que l'évolution des phases cristallines est cohérente avec la distribution de contrainte hydrostatique et de température [40]. Le SiC est aussi un matériau semi-conducteur important, qui a des propriétés similaires au silicium. Le processus d'enlèvement de matière du SiC est réalisé par le transfert de phase du zinc blende à la structure amorphe avec peu de structures de diamant hexagonal. Une vitesse de rayage plus élevée génère plus d'atomes de structure amorphe, moins d'atomes de diamant hexagonal et moins d'atomes de dislocation en raison d'un impact plus grand et d'un temps de réarrangement moindre [90]. Alors que Meng et al. ont trouvé que lorsque la transition de phase n'est pas le mécanisme de déformation dominant, la méthode du coefficient de Schmidt peut prédire efficacement le mouvement de glissement du 3C-SiC pendant le processus UNP (mouvement de glissement élastique et mouvement de glissement de dislocation) [79]. De plus, Meng et al. ont étudié davantage l'effet du taux de déformation et de la chaleur sur le mécanisme d'enlèvement du SiC. Ils ont trouvé que l'effet du taux de déformation et l'effet de ramollissement thermique affectent directement la quantité d'enlèvement de matière et la forme du dommage en sous-surface (DSS). L'influence de l'effet de ramollissement thermique sur la contrainte dans la région de traitement sous la condition de taux de déformation élevé dépasse celle de la diminution du taux de croissance de la vitesse de génération de dislocation. Le processus d'enlèvement du SiC polycristallin est dominé par la transition de phase amorphe. De plus, plusieurs atomes de structure de diamant hexagonal et dislocations sont trouvés dans les JG pendant le rayage. Une vitesse de rayage plus élevée et une plus grande profondeur de coupe favorisent le transfert de plus d'atomes dans la structure amorphe en raison d'un impact plus grand [81]. Comparé au SiC monocristallin, la microstructure dans le polycristallin rend le SiC plus mou en générant moins de force normale de rayage et de transition de phase de structure amorphe et de DSS induite par déformation plastique plus mince [91]. L'analyse de la propagation de dislocation et de la transition de phase pourrait expliquer le mécanisme dans le processus d'usinage. Cependant, la plupart des recherches se sont concentrées sur les matériaux monocristallins et les matériaux à structure complexe sont rarement rapportés, ce qui devrait être davantage étudié.

Directions futures de recherche et défis

Actuellement, la recherche sur le processus UNP par simulation DM est largement rapportée. Cependant, il y a encore certaines limitations à considérer. Ainsi, les directions futures sont discutées dans cette revue.

1. (1) Avec le développement des méthodes UNP, certaines nouvelles technologies ont été proposées dans ce domaine. Par exemple, le processus de nanofraisage par pointe MFA a une large perspective en raison de sa grande performance d'usinage et de ses propriétés de contrôle de taille [92, 93]. Cependant, le mécanisme de nanofraisage n'a pas été entièrement compris en raison de la limitation de l'équipement de détection. Avec l'utilisation de la simulation DM, il est espéré que la variation de la force de coupe, le changement dynamique des défauts et l'état d'enlèvement des matériaux de la pièce pendant le processus de rotation de la pointe. De plus, la méthode de nanorayage assisté par vibration d'échantillon n'a pas été rapportée encore. L'approche de simulation DM pourrait fournir une orientation significative au stade initial.

2. (2) En raison de la limitation des échelles de longueur et de temps, les méthodes DM ne peuvent toujours pas décrire pleinement le processus expérimental quantitativement. Dans certaines études combinant expériences et simulations DM, l'approche de simulation DM ne pouvait qu'expliquer qualitativement les phénomènes expérimentaux [19, 20, 94]. En particulier, pour certains matériaux dépendants du temps tels que les polymères amorphes, la vitesse de la pointe a un impact significatif sur l'état d'enlèvement des polymères. Ainsi, afin de prédire avec précision le processus expérimental et d'analyser quantitativement les résultats expérimentaux, l'amélioration de l'algorithme et de la capacité de calcul est indispensable.

3. (3) De nombreuses nanostructures ont été réalisées sur des matériaux polymères en utilisant la méthode UNP [95,96,97]. En particulier, le processus d'usinage mécanique des matériaux polymères basé sur la méthode UNP maintient la charge normale constante afin de garantir la précision des nanostructures usinées [98]. Cependant, les rapports de simulation DM de polymère dans le processus UNP sont limités jusqu'à présent. De plus, la lithographie par sonde thermique se développe dans les polymères, ce qui a le potentiel d'améliorer la précision d'usinage du processus UNP. Il est nécessaire de révéler le mécanisme d'enlèvement de matière des matériaux polymères lors de la réalisation d'un processus de rayage nanométrique avec l'effet thermomécanique.

Conclusion

Il est indéniable que la technologie de simulation DM joue un rôle de plus en plus crucial dans le processus de nanomachinage pour révéler des phénomènes jusqu'alors inconnus [99]. Cette revue a conclu les progrès récents dans la simulation DM de la méthode UNP, et les contenus ci-dessus sont résumés comme suit :

1. (1) L'établissement des modèles DM de divers matériaux et fonctions de potentiel associées a été résumé. En particulier, le processus de modélisation des matériaux polycristallins nanotwinnés et des polymères amorphes a été discuté dans cette section. La précision des modèles DM est d'une grande importance pour les résultats de simulation ultérieurs.

2. (2) Les nouvelles technologies des méthodes UNP, incluant le multi-rayage, le labour dynamique et le VANILA ont été présentées. Avec l'aide de la simulation DM, le mécanisme de ces méthodes pourrait être mieux compris. En particulier, la différence essentielle entre le labour statique et le labour dynamique a été révélée par la méthode DM sous les aspects des défauts internes, de la morphologie et des forces de coupe.

3. (3) L'analyse des simulations DM dans le processus UNP, incluant la force de coupe, l'état d'enlèvement de matière et l'analyse des défauts sont également résumées. De plus, certaines nouvelles méthodes d'analyse comme l'analyse de glissement sont également données. Avec ces méthodes, le mécanisme de traitement basé sur l'approche UNP est passé en revue, ce qui montre la dépendance des matériaux vis-à-vis du processus d'usinage UNP.

Abréviations

UNP :

Usinage nanométrique par pointe

MFA :

Microscopie à force atomique

DM :

Dynamique moléculaire

NT :

Nanotwinné

PE :

Polyéthylène

EAM :

Méthode de l'atome immergé

SW :

Stillinger-Weber

ABOP :

Potentiel d'ordre de liaison analytique

REBO :

Ordre de liaison empirique réactif

AIREBO :

Ordre de liaison empirique réactif intermoléculaire adaptatif

LAMMPS :

Simulateur parallèle massif atomique/moléculaire à grande échelle

MS :

Material Studio

OVITO :

Outil de visualisation ouvert

VMD :

Dynamique moléculaire visuelle

VANILA :

Usinage par nano-impact assisté par vibration avec abrasifs libres

MEB :

Microscope électronique à balayage

CNA :

Analyse des voisins communs

CSP :

Paramètre de centrosymétrie

DXA :

Algorithme d'extraction de dislocation

JG :

Joint de grain

JJ :

Joint jumeau

DSS :

Dommage en sous-surface