11、纳米压痕与纳米划痕的计算模拟

纳米压痕与纳米划痕的计算模拟

1. 引言

随着制造技术的进步，半导体或微器件中薄膜的厚度已达到纳米级别。块体材料和纳米薄膜的力学特性存在显著差异，为了清晰了解这些差异，有必要研究薄膜的物理性质。纳米压痕和纳米划痕是测量薄膜性能（如杨氏模量、硬度和摩擦系数）最常用的技术。然而，要精确测量薄膜性能，特别是对于厚度小于 1 纳米的极薄薄膜，需要对纳米压痕测量系统进行重大重新设计和改进，尤其要关注压头。当前系统在保持可控且可靠的小深度压入方面存在困难，而这对于在薄膜测量中最小化基底影响是必需的。

此前已对纳米压痕过程中工具尖端与样品之间相互作用的各个方面进行了研究，包括尖端与样品的粘附现象、样品的断裂、纳米级蚀刻和使用碳纳米管的压痕、相变、疲劳、弹性和塑性接触行为，以及不同工具材料对压痕机制的影响等。这些研究为尖端与样品的相互作用现象提供了重要见解。

为了精确测量纳米尺度下薄膜的力学和接触性能，分子动力学（MD）是一种被广泛分析的工具，已应用于纳米划痕、纳米压印接触、纳米压痕行为、单层滑动摩擦以及纳米尺度材料的力学性能研究等方面。不过，压痕载荷、温度、加载和滑动速率在纳米接触过程中也很重要。本研究的主要目的是评估这些因素对硬材料（如金刚石）和软材料（如金和铜）的纳米压痕和纳米划痕的影响。

2. 物理模型与边界条件假设

采用 MD 模拟方法来研究纳米压痕过程中刚性金刚石尖端与单晶金和金刚石薄膜之间相互作用的各个方面。模拟中使用的薄膜包含 157,000 个原子，金刚石工具包含 6,290 个原子。在横向（x 和 y 方向）采用周期性边界条件（PBC），并固定样品底部的三层原子。

作用在单个原子上的力通过对周围原子所贡献的力求和得到。分别为