摩擦磨损的分子动力学

随着微机电系统（MEMS）的应用日益成熟和大规模集成电路制造的需求越来越旺盛，制造和应用中产生的摩擦学问题近年来得到了国内外学者的关注和重视。这两个领域的摩擦学研究属于纳米摩擦学范畴，在应用方面，学者们主要关注如何减少摩擦和磨损；而在制造方面，学者们的兴趣则主要在如何科学利用和调控摩擦和磨损，典型的应用就是芯片制造中的化学机械抛光。在化学机械抛光中，研究人员想方设法在产生尽可能少的缺陷的基础上，有效增大被抛光材料的磨损率，即材料的去除率，这和在应用中要尽可能减少材料磨损是截然相反的。
纳米摩擦学研究的蓬勃发展离不开现代显微检测技术，如扫描电子显微镜（SEM）、高分辨率透射显微镜（HRTEM）、X射线光电子能谱（XPS）、扫描隧道显微镜（STM）、原子力显微镜（AFM）、纳米压痕仪（NI）等。其中新型的纳米压痕仪还结合了原子力显微镜，它除了能开展纳米压痕试验外，还可以应用于纳米划痕试验，从中可以得到许多精确的纳米级或微米级的材料力学行为，如压入硬度、弹性模量、屈服强度、断裂韧度等。有的新型纳米压入装置还可以用于微纳尺度材料的压缩、拉伸、断裂、疲劳摩擦和磨损等测试，极大地推动了纳米摩擦学的研究。理论上，分子模拟技术，特别是分子动力学模拟软件的发展，无疑给纳米摩擦学研究增添了助推剂，它可以打破和克服纳米尺度真实试验工作的局限，运用大规模多CPU并行处理的计算机来完成纳米尺度摩擦磨损过程的模拟。分子模拟理论和现代显微检测技术协同合作，使人类把视野延伸到原子和分子水平。在此基础上，从事跨尺度的研究才真正成为可能。
纳米摩擦学与宏观摩擦学一样，涉及摩擦、磨损和润滑，也属于交叉学科的范畴，数学、物理学、化学、力学、机械学、晶体学、材料学等都与纳米摩擦学相关联。本书仅涉及其中一个方向，即运用分子动力学计算软件LAMMPS模拟几种材料的纳米磨损过程，期望从中得出规律性的认识，并能对该领域的应用实践打下基础。
第1章简要综述了分子动力学的发展及其应用价值；第2章概述了分子动力学的原理、作用势函数和模拟工具；第3章从纳米压入原理和试验入手，论述了使用分子动力学模拟得到的对单晶铜、单晶硅的纳米压入的规律性认识，在该章的后一节，还专门叙述了单晶纳米线的拉伸行为，提出材料尺度对材料性能有重要影响的支撑观点；第4章系统论述了在空气润滑下单晶铜的纳米二体和三体磨料磨损的模拟试验及其规律，介绍了单晶硅的纳米磨料磨损，指出纳米尺度与宏观磨料磨损的主要区别之一在于不能忽略被磨表面的弹性回复作用，据此，完善了纳米尺度下椭球磨料的滑动与滚动的判据；第5章分析了在含水膜条件下单晶铜的纳米压入、二体及三体磨料磨损的行为，并将磨料滚动与滑动的判据延伸到有水润滑的条件，水膜的存在能降低摩擦因数并影响材料的去除率；第6章直接针对化学机械抛光过程，系统讨论了单晶硅表面覆盖有无定形二氧化硅膜情况下的纳米压入和磨损行为，并在含有水膜的情况下，分析了材料的磨损去除机理，还采用非刚性磨料模拟磨损过程，发现采用非刚性磨料时，相比刚性磨料，材料去除效率较高，单晶硅表面去除质量好，基体无缺陷；第7章中，作者采用分子动力学系统研究了纳米多晶铜的变形行为，并结合使用相场法构建了更接近实际的多晶模型，定量分析了晶界的移动和孪晶演化过程，为将来合理设计晶体结构提供了理论依据。
本书为《磨料磨损》的续作。书中主要内容为作者十余年相关科研工作的总结。作者指导的博士生孙甲鹏（河海大学副研究员）、史俊勤（西北工业大学副教授）、陈娟（太原科技大学讲师）、张猛（日本东京大学博士后）和优秀硕士生朱向征（深圳迈瑞生物医疗电子股份有限公司）整理了书中主要章节内容及计算数据。特别是张猛博士为本书的排版做了重要的工作，在此一并向同学们表示衷心感谢。也衷心感谢在指导研究生过程中，作者所在研究组老师，特别是孙琨教授的协助指导和帮助。同时感谢国家自然科学基金委员会对本书的出版提供的经费支持（MEMS中的纳米三体磨料磨损，项目编号：51375364）。感谢所有支持过本人的朋友、家人和亲戚。
书中的错误在所难免，期望广大读者谅解，并提出建设性的意见，以帮助作者在本书再版时订正。
为便于读者分析、理解内容，对于一些重要的彩色图，均附于书后的插页中，对于未在插页中列出的彩色图，如认为有必要，欢迎读者通过电子邮件向作者索取，作者电子邮箱为：fangl@mail.xjtu.edu.cn。
方亮

本书采用分子动力学模拟的研究方法，对微装备、微制造领域的纳米摩擦和磨损问题进行了系统论述。其主要内容包括：绪论、分子动力学的原理与方法、纳米压入过程模拟、空气条件下纳米磨料磨损行为、含水膜条件下单晶铜纳米薄膜材料的磨损行为、化学机械抛光过程的分子动力学、晶界对纳米多晶铜力学性能的影响。本书主要应用LAMMPS大规模并行软件进行模拟计算，其中还涉及大量对位错理论、相变理论和相场方法的应用讨论，内容针对性强，可为解决微装备、微制造领域的纳米摩擦和磨损问题提供帮助。

本书采用分子动力学模拟的研究方法，对微装备、微制造领域的纳米摩擦和磨损问题进行了系统论述。其主要内容包括：绪论、分子动力学的原理与方法、纳米压入过程模拟、空气条件下纳米磨料磨损行为、含水膜条件下单晶铜纳米薄膜材料的磨损行为、化学机械抛光过程的分子动力学、晶界对纳米多晶铜力学性能的影响。本书主要应用LAMMPS大规模并行软件进行模拟计算，其中还涉及大量对位错理论、相变理论和相场方法的应用讨论，内容针对性强，可为解决微装备、微制造领域的纳米摩擦和磨损问题提供帮助。

前言
第1章绪论1
1.1分子动力学模拟的发展历史1
1.2分子动力学模拟的应用与意义2
1.3分子动力学模拟的发展趋势4
参考文献6
第2章分子动力学的原理与方法10
2.1分子动力学原理10
2.1.1N原子系统11
2.1.2Verlet算法12
2.1.3Velocity-Verlet算法12
2.1.4初始位置和速度13
2.1.5时间步长13
2.1.6总模拟时间14
2.1.7系综类型14
2.1.8温度和压力控制14
2.1.9能量小化15
2.2分子间相互作用与势函数16
2.2.1对势16
2.2.2Morse势17
2.2.3SW势函数17
2.2.4Tersoff势函数18
2.2.5 EAM势函数19
2.3周期性边界条件20
2.4分子动力学模拟工具21
2.5缺陷的分析及可视化23
2.5.1缺陷的分析识别方法23
2.5.2可视化方法25
参考文献25
第3章纳米压入过程模拟28
3.1概论28
3.2纳米压入原理和试验28
3.3分子动力学模拟纳米压入过程37
3.3.1模拟方法38
3.3.2纳米力学行为及性能39
3.3.3塑性变形机理43
3.4单晶铜纳米压入的弹性回复行为46
3.4.1引言46
3.4.2分子动力学模型以及单晶铜力学参量47
3.4.3恒定速度加载条件下的弹性回复48
3.4.4恒定载荷速率加载条件下的弹性回复54
3.4.5单晶铜的蠕变和应力松弛现象60
3.4.6小结61
3.5单晶硅的纳米压入行为62
3.5.1相识别和表征方法62
3.5.2纳米压痕中单晶硅的相变65
3.6单晶纳米线的拉伸行为68
3.6.1引言68
3.6.2模型及方法69
3.6.3模拟结果70
参考文献79
目录第4章空气条件下纳米磨料磨损行为83
4.1概论83
4.2磨料磨损基本理论83
4.3空气条件下纳米尺度单晶铜的二体磨料磨损85
4.3.1单晶铜二体磨料磨损模型构建85
4.3.2单晶铜二体磨料磨损分子动力学87
4.4空气条件下纳米尺度单晶铜的三体磨料磨损97
4.4.1单晶铜三体磨料磨损的分子动力学模型97
4.4.2恒载下单晶铜的三体磨料磨损模型102
4.4.3纳米椭球形磨料滚滑判据104
4.4.4空气下单晶铜的纳米三体磨料磨损111
4.5空气条件下纳米尺度单晶硅的磨料磨损122
4.5.1单晶硅磨料磨损分子动力学模拟方法122
4.5.2单晶硅磨料磨损行为125
4.5.3单晶硅纳米磨料磨损时的塑性变形130
4.5.4纳米磨料磨损中单晶硅的相变131
4.5.5单晶硅相变的应力机理136
4.5.6小结139
参考文献140
第5章含水膜条件下单晶铜纳米薄膜材料的磨损行为143
5.1概论143
5.2单晶铜含水膜的纳米压入行为143
5.2.1引言143
5.2.2模型与模拟方法144
5.2.3水膜对单晶铜塑性变形的影响145
5.2.4压入方式对单晶铜塑性变形的影响151
5.2.5单晶铜应力松弛与弹性回复158
5.2.6小结163
5.3单晶铜含水膜的二体磨料磨损163
5.3.1模型与模拟方法163
5.3.2水膜对摩擦力的影响165
5.3.3单晶铜表面形貌167
5.3.4单晶铜塑性变形170
5.3.5单晶铜磨损评价173
5.3.6单晶铜单原子层磨料磨损机理174
5.3.7小结184
5.4单晶铜含水膜的三体磨料磨损185
5.4.1引言185
5.4.2模型与模拟方法185
5.4.3磨料形状对单晶铜三体磨料磨损的影响187
5.4.4载荷对单晶铜三体磨料磨损的影响196
5.4.5驱动速度对单晶铜三体磨料磨损的影响202
5.4.6小结206
5.5含水膜的纳米三体磨料磨损理论模型207
5.5.1引言207
5.5.2含水条件下磨料运动方式的理论模型208
5.5.3含水条件下磨料滚滑判据的讨论与分析211
5.5.4弹性回复对磨料运动方式的影响215
5.5.5多因素耦合的磨料滚滑判据216
5.5.6小结217
参考文献218
第6章化学机械抛光过程的分子动力学222
6.1概论222
6.2SiO2/Si双层纳米材料的压痕行为222
6.2.1引言222
6.2.2小压痕下纳米压痕行为223
6.2.3大压痕下纳米压痕行为233
6.2.4压痕速度对SiO2/Si纳米材料的影响244
6.2.5小结253
6.3SiO2/Si双层纳米材料的蠕变及应力松弛行为253
6.3.1引言253
6.3.2蠕变行为254
6.3.3应力松弛行为264
6.3.4小结270
6.4SiO2/Si双层纳米材料的摩擦磨损行为271
6.4.1引言271
6.4.2建模272
6.4.3载荷及薄膜厚度对摩擦力的影响273
6.4.4材料去除行为及表面质量分析276
6.4.5磨料尺寸对摩擦磨损的影响285
6.4.6磨料种类对磨损的影响287
6.4.7SiO2磨料性质对摩擦磨损的影响288
6.4.8去除模型293
6.4.9小结294
参考文献295
第7章晶界对纳米多晶铜力学性能的影响301
7.1概论301
7.2基于多相场理论构建多晶体系302
7.2.1多相场理论简介302
7.2.2多晶铜晶粒生长模型302
7.2.3三维多相场并行求解304
7.2.4MD模拟方法及参数简介306
7.3相场模型和规整多晶对比308
7.3.1引言308
7.3.2力学特性及变形行为对比分析309
7.3.3晶界应力集中对比分析310
7.3.4位错及HCP结构(SFs和TBs）对比分析311
7.3.5不同晶粒尺寸下多晶铜膜的变形机制313
7.3.6力学特性及变形行为314
7.3.7孪晶对晶粒变形的影响315
7.3.8孪晶与HCP结构(SFs和TBs）的相互作用316
7.3.9小结318
7.4不同应变率和温度下多晶铜变形机制318
7.4.1引言318
7.4.2不同应变率下力学特性及变形行为319
7.4.3不同温度下力学特性及变形行为323
7.4.4晶界活动对力学特性的影响326
7.4.5变形机制及影响晶界活动的因素327
7.4.6小结332
7.5不同晶粒尺寸的三维多晶铜变形机制333
7.5.1引言3

本书采用分子动力学模拟的研究方法，对微装备、微制造领域的纳米摩擦和磨损问题进行了系统论述。其主要内容包括：绪论、分子动力学的原理与方法、纳米压入过程模拟、空气条件下纳米磨料磨损行为、含水膜条件下单晶铜纳米薄膜材料的磨损行为、化学机械抛光过程的分子动力学、晶界对纳米多晶铜力学性能的影响。本书主要应用LAMMPS大规模并行软件进行模拟计算，其中还涉及大量对位错理论、相变理论和相场方法的应用讨论，内容针对性强，可为解决微装备、微制造领域的纳米摩擦和磨损问题提供帮助。

1）本书采用分子动力学模拟的研究方法，对微装备、微制造领域的纳米摩擦和磨损问题进行了系统论述。
2）主要内容包括：绪论、分子动力学的原理与方法、纳米压入过程模拟、空气条件下纳米磨料磨损行为、含水膜条件下单晶铜纳米薄膜材料的磨损行为、化学机械抛光过程的分子动力学、晶界对纳米多晶铜力学性能的影响。
3）本书主要应用LAMMPS大规模并行软件进行模拟计算，其中还涉及大量对位错理论、相变理论和相场方法的应用讨论，内容针对性强，可为解决微装备、微制造领域的纳米摩擦和磨损问题提供帮助。