단결정 구리 단일 원자층 제거 가공: 공구 날 반경 영향 분석
요약
기계적 절삭의 궁극적 목표는 최소 칩 두께를 단일 원자층까지 낮추는 것입니다. 본 연구에서는 분자 동역학 분석 시리즈로 단결정 구리에서 절삭 기반 단일 원자층 제거 메커니즘을 조사했습니다. 연구 결과 절삭 깊이가 원자 규모로 감소할 때 둥근 날 공구로 기계적 절삭을 통해 최소 칩 두께가 단일 원자층까지 낮아질 수 있음을 보고했습니다. 절삭 기반 단일 원자층 제거 중 재료 제거 거동은 전단 응력 구동 전위 운동에 의한 칩 형성, 가공 표면 탄성 변형, 원자 크기 효과, 절삭 날 반경 효과 등 네 가지 특성을 보입니다. 이 이해를 바탕으로 절삭 기반 단일 원자층 제거 공정에서 재료 제거 거동을 연구하는 새로운 절삭 모델을 제안했습니다. 이는 나노 절삭 및 기존 절삭 모델과 크게 다릅니다. 연구 결과는 원자 및 원자 근접 규모 제조 기술 연구 개발에 이론적 지원을 제공합니다.
서론
기계적 절삭은 높은 표면 마감 품질 부품 생산에 적용되는 가장 중요한 절삭 가공 방법 중 하나입니다[1,2]. 나노규모 하부 재료 제거 메커니즘을 명확히 하여 기본 나노 절삭 이론을 정립하고 풍부하게 하기 위해 다수 이론적, 실험적 연구가 수행되었습니다[3-6]. 연구 결과는 학계와 산업에서 복잡한 형상과 나노미터 표면 마감 품질이 요구되는 고성능 부품 제조를 가능하게 하는 나노미터 절삭 적용에 크게 기여했습니다[7,8]. 그러나 원자 및 원자 근접 규모(ACS)에서 재료 제거 메커니즘에 대한 보고는 아직 없어, 차세대 제조 기술인 원자 및 원자 근접 규모 제조(ACSM), 즉 제조 III[9] 개발 진전을 심각하게 제한합니다. 또한 원자 규모 소자 점진적 발전도 ACSM 달성을 위한 다양한 가공 공정 수요를 강조합니다[10].
기존 거시적 절삭에서 절삭 깊이는 절삭 날 반경보다 현저히 커서 재료 제거는 전단 구동 칩 형성으로 실현됩니다[11-13]. 미세/나노 절삭에서 절삭 깊이가 공구 날 반경과 비슷하거나 낮아지면 절삭 깊이가 나노규모로 감소함에 따라 압출 칩 형성이 점차 지배적이 되며, 이는 절삭 날 반경 효과에 크게 영향을 받습니다[14-19]. ACS 절삭에서 절삭 깊이가 원자 근접 규모나 원자 규모로 더 감소하면 공구 날 반경보다 훨씬 낮아지므로 날 반경 효과가 필연적으로 재료 제거 거동에 영향을 미칩니다.
또한 기존 절삭과 미세/나노 절삭과 달리 ACS 절삭에서는 절삭 깊이가 공구 날 반경보다 현저히 낮을 뿐만 아니라 시료 원자 반경과 비슷하거나 심지어 낮습니다. 실제 재료 제거 거동은 절삭 깊이와 시료 원자 반경 비율에 따라 달라지며, 이는 새로운 크기 효과, 즉 원자 크기 효과로 인식됩니다[20]. 따라서 ACS 절삭에서는 절삭 날 반경 효과와 원자 크기 효과 모두 고려해야 합니다. 그러나 ACS 절삭 기술 연구에서 이 결정적으로 중요한 문제에 대한 보고는 없습니다.
이러한 이유로 본 연구에서는 분자 동역학(MD) 모델링으로 원자 크기 효과와 날 반경 효과가 절삭 기반 단일 원자층 제거 메커니즘에 미치는 영향을 조사했습니다.
본 논문은 다음 섹션으로 구성됩니다. 2절에서 모델링과 프로토콜, 적절한 포텐셜 함수를 포함한 방법론을 소개합니다. 3절에서 분석 결과와 관련 토의를 제시합니다. 4절에서 절삭 날 효과와 원자 크기 효과 결합 영향 하 절삭 기반 단일 원자층 제거 메커니즘을 상세 논의합니다. 연구 결과는 5절에서 결론 짓습니다.
방법론
시뮬레이션 모델 및 프로토콜
절삭 깊이가 원자 또는 원자 근접 규모로 감소하면 실제 재료 제거 공정을 실험적으로 관찰하기 어렵습니다. 본 연구에서는 MD 시뮬레이션 시리즈를 수행하여 절삭 기반 단일 원자층 제거 메커니즘을 분석하며, 시료 원자 크기 효과와 절삭 날 반경 효과에 중점을 두었습니다.
그림 1은 다이아몬드-구리 절삭 모델 원자 구성 스냅샷으로, 단결정 구리 시료와 다이아몬드 절삭 공구로 구성됩니다. 시뮬레이션은 단결정 구리 (111) 면에서 수행했습니다. 시료 x-[1 -1 0], y-[1 1 -2], z-[1 1 1] 방향 치수는 각각 27, 10, 5nm입니다. MD 시뮬레이션 중 시료 원자는 그림 1과 같이 경계층 원자, 항온층 원자, 뉴턴층 원자로 각각 나뉩니다. 시료 바닥 두 층인 경계층은 MD 시뮬레이션 동안 고정되어 절삭 유도 시료 위치 이동을 방지합니다. 경계층 인접 세 원자층은 항온층 원자입니다. 항온층 온도는 속도 재조정법으로 298K 유지됩니다. 나머지 시료 원자는 뉴턴층에 속합니다. 현재 시뮬레이션에서 절삭 공구 경사각과 후각은 각각 0°와 12°입니다. 상세 모델 파라미터는 표 1에 요약되어 있습니다. ACS 절삭은 낮은 절삭 속도에서 선호되므로 절삭 속도와 계산 시간 비용 고려 후 [-1 1 0] 방향 25m/s 절삭 속도 사용했습니다.
포텐셜 함수
구리-다이아몬드 절삭 시스템은 구리와 다이아몬드 원자 두 유형을 주로 포함합니다. MD 시뮬레이션에서 원자간 상호작용을 정확하게 기술하여 시뮬레이션 결과 계산 정확성을 보장해야 하므로 적절한 포텐셜 함수 선택이 결정적으로 중요합니다. 본 연구에서는 구리 원자 간 원자간 상호작용 기술에 자주 쓰이는 매립 원자법(EAM) 포텐셜 함수를 채택했습니다[21]. Morse 함수는 구리 원자와 다이아몬드 원자(Cu-C) 간 상호작용 계산에 적용되며, 주로 r에 의존합니다.
$$ E={D}_0\left[{e}^{-2\alpha \left(r-{r}_0\right)}-2{e}^{\alpha \left(r-{r}_0\right)}\right] $$ (1)
여기서 E와 D₀는 쌍 포텐셜 에너지와 응집 에너지, α는 상수, r₀는 평형 거리, r은 두 원자 간 거리입니다. Cu-C 상호작용에서 D₀=0.087eV, r₀=0.205nm[22], α=51.40nm⁻¹입니다. 절삭 공구 내 탄소 원자 간 상호작용(C-C)은 다이아몬드 원자 간 결합 강도가 구리 원자보다 현저히 강하므로 무시 가능합니다. 분석 중 절삭 공구는 강체로 간주합니다.
절삭 깊이 정의
절삭 깊이(a)는 시료 표면 최상단 점과 절삭 공구 최하단 점 사이 거리로 정의합니다. 시료 원자 크기는 보통 원자 반경(r_w)으로 나타냅니다. 그림 2와 같이 표면 최상단 제1 원자층을 시료 표면에서 제거 대상으로 할 때 이론적으로 사용 가능한 최대 절삭 깊이는 다음과 같습니다:
$$ {a}_{\mathrm{max}}={r}_w+0.5\ast {d}_{layer} $$ (2)
여기서 d_layer는 시료 표면 최상단 인접 원자층 간 간격입니다. 본 연구 모든 분석은 단결정 구리 시료 (111) 표면 기반이므로 식 (2) r_w는 구리 원자 반경 1.28Å입니다. d_layer는 2.087Å입니다. a가 a_max보다 크면 절삭 공구 최하단 점이 제2 원자층과 직접 접촉하여 재료 변형이나 제거를 유도할 수 있습니다. 따라서 본 연구에서는 a_max(2.32Å)보다 작은 절삭 깊이를 사용했습니다.
연구 결과에 따르면 절삭 기반 단일 원자층 제거 기본 메커니즘은 a/R 비율과 a/r_w 비율 다양한 조합에서 크게 변화합니다.
결과 및 토의
MD 결과에 따르면 원자 크기 효과와 절삭 날 반경 효과 모두 절삭 기반 단일 원자층 제거 공정에 큰 영향을 미칩니다. 다음 섹션에서 원자 크기 효과와 공구 날 반경 효과를 명확히 기술하기 위해 절삭 깊이(a)와 시료 원자 반경(r_w) 비율 a/r_w, 절삭 깊이(a)와 날 반경(R) 비율 a/R을 사용했습니다. 분석 결과는 칩 형성, 표면 생성, 표면하 변형, 원자 변위 거동 측면에서 체계적으로 연구되었습니다. 연구 결과는 절삭 기반 단일 원자층 제거 메커니즘의 대표적 특성에 대한 상세한 통찰을 제공합니다.
칩 형성
분석 결과 시료 원자 크기 효과[20]로 인해 절삭 깊이(a)와 시료 원자 반경(r_w) 비율 a/r_w에 두 임계값, 임계값 1(C₁)과 임계값 2(C₂)이 존재하며, 이는 칩 형성 거동을 서로 다른 경우로 나눕니다.
- a. a/r_w 비율이 임계값 1(C₁)보다 작은 경우.
그림 3은 약 1.1Å 절삭 깊이에서 다양한 공구 날 반경 MD 시뮬레이션 결과입니다. 여기서 a/r_w 비율은 0.781입니다.
절삭 날 반경 증가에도 불구하고 각 Cu(111) 표면에 탄성 변형이 발생합니다. 절삭 공정 전반에 칩 형성과 재료 제거는 없습니다. 연구에 따르면 Cu(111) 표면에서 재료 제거를 가능하게 하려면 절삭 깊이가 약 1.1Å보다 커야 합니다.
- b. a/r_w 비율이 C₁보다 크지만 임계값 2(C₂)보다 작은 경우.
절삭 깊이가 약 1.1Å보다 크면, 즉 a/r_w 비율이 0.781보다 크면 시료 표면에서 재료 제거가 발생합니다. 그림 4에서 재료 일부가 시료 표면에서 제거되지만, 최상단 제1층 내 더 많은 원자가 새로운 가공 표면에 남아 표면 결함을 형성합니다. 또한 날 반경이 7.5nm로 증가하면 a/R 비율은 0.019입니다. 이 경우 제1 원자층 일부 원자가 제2층, 심지어 제3 원자층까지 눌려 들어갑니다(그림 4e). 이는 절삭 공구 압출 작용 때문으로 지속적인 재료 제거는 얻지 못하지만 공구 날 반경 효과가 재료 제거 공정에 영향을 주기 시작함을 나타냅니다.
- c. a/r_w 비율이 C₂보다 큰 경우.
그림 5는 약 2Å 절삭 깊이에서 칩 형성을 보여줍니다. 여기서 a/r_w = 2Å/1.28Å = 1.563입니다. 그림 3과 비교해 절삭 깊이가 2Å로 증가하면서 대상 원자층 내 원자들이 칩 형성으로 지속적이고 안정적으로 제거될 수 있습니다. 이는 절삭 깊이가 단결정 구리 최소 칩 두께보다 커졌음을 나타내며, 약 2Å 절삭 깊이로 최소 칩 두께가 단일 원자층까지 낮아질 수 있습니다. 절삭 후 제1 원자층 내 물질이 시료 표면에서 완전히 제거되었습니다.
그러나 그림 5에서 a/R 비율 증가로 인해 제1 원자층 원자들이 현저히 다른 제거 공정을 거침, 특히 가공 표면 절삭 유도 변형이 다름을 알 수 있습니다. 2Å 절삭 깊이에서 날카로운 절삭 공구 사용 시(a/R=5.70) 가공 표면에 미세한 변형만 발생합니다. 날 반경이 3nm로 증가하면(a/R=0.134) 탄성 변형 진폭이 현저히 증가합니다.
공구 날 반경이 4nm로 증가하면(그림 5d) 대상 제1 원자층 다수 원자가 제2 원자층으로 눌려 새 가공 표면을 형성합니다. 약 7.5nm 날 반경에서 제1층 일부 원자가 제3 원자층까지 확산됩니다. 공구 날 반경 약 10nm 도달 시 현저한 탄소-소성 변형 발생, 이는 다음 3.3절에서도 확인 가능합니다.
따라서 절삭 기반 단일 원자층 제거는 a/r_w 비율뿐만 아니라 a/R 비율에도 의존합니다. 기계적 절삭으로 단일 원자층 제거, 즉 원자 규모 재료 제거를 달성하려면 원자 크기 효과와 절삭 날 반경 효과 모두 고려해야 하며, 이는 미세/나노 절삭 및 기존 거시적 절삭과 크게 다릅니다.
표면 생성
절삭 기반 원자층 제거 목표 중 하나는 이상적 결정 구조를 가진 결함 없는 가공 표면 획득입니다. 시료 원자 크기 효과가 ACS 절삭 표면 생성에 미치는 영향은 최근 연구되었습니다[20]. 본 연구에서는 ACS 절삭 표면 생성에 미치는 절삭 날 반경 효과를 명확히 나타내기 위해 새 가공 표면 표면 요철과 표면 조성을 연구했습니다.
표면 요철
그림 6은 다양한 날 반경에서 가공된 Cu(111) 표면 요철입니다. 여기서는 2Å 절삭 깊이를 채택했습니다. 그림 6a, b에서 공구 날 반경이 3nm 미만일 때 이상적 결정 구조를 가진 Cu(111) 표면 획득 가능합니다. 시료 표면 왼쪽 결함은 공구 절삭 이탈 시 변형 때문입니다. 정상 절삭 단계에서는 가공 표면에 표면 결함이 형성되지 않습니다.
공구 날 반경 증가에 따라 가공 표면에 결함이 점차 형성됩니다. 날 반경 4nm에서 가공 표면에 움푹 파인 결함 다수 형성(그림 6d). 날 반경 5nm 이상이면 다량 표면 결함 형성으로 표면 품질 심각 악화. 이 경우 한 층 이상 원자층이 시료 표면에서 제거됩니다. 따라서 2Å 절삭 깊이에서 공구 날 반경 3nm 미만일 때 Cu(111) 표면 단일 원자층 제거 달성 가능. 절삭 날 반경 효과로 절삭 깊이(a)와 날 반경(R) 비율 a/R이 일정 임계값보다 커야 결함 없는 가공 표면 획득 가능. 여기 a/R 임계값은 [0.05, 0.067]입니다.
표면 조성
그림 7은 2Å 절삭 깊이에서 다양한 공구 날 반경 가공 표면 조성입니다. 녹색과 파란색 원자는 각각 제1, 제2층 원자, 빨간색 원자는 제2층 아래 원자입니다. 그림 7a에서 날카로운 절삭 공구 사용 시(a/R=2.85) 가공 표면은 제1층 원자만으로 구성됩니다. 이는 대상 제1 원자층이 시료에서 완전히 제거됨을 나타냅니다. 또한 재료 제거가 층별로 수행되어 제거된 물질이 시료 표면 대상 제1 원자층에서만 옴을 의미합니다.
그러나 공구 날 반경 2nm, 3nm 시(그림 7b, c) 가공 표면은 두 원자층(파란색, 녹색)으로 구성됩니다. 단일 원자층 제거 달성되었으나 표면 생성 공정은 최소 2개 원자층 관여. 날 반경 4nm 초과 시 가공 표면에 제1 원자층 원자 다수 존재, 제1층 다수 원자가 눌려 새 표면 생성됨을 나타냅니다.
따라서 절삭 날 반경 증가에 따라 표면 생성이 크게 변화. 관여하는 두 표면 생성 메커니즘 요약:
- 1. 층별 제거: 대상 제1 원자층 완전히 제거되어 새 가공 표면 생성. 절삭 공정 중 제1층 내 원자만 제거됨.
- 2. 다층 제거: 단일 원자층 제거 실현되나 대상 원자층 원자 두 대표적 변위 거동 보임. 일부 원자는 전단 응력 구동 전위 운동으로 칩 형성, 다른 일부는 절삭 공구 작용으로 압출되어 가공 표면 형성. 재료 제거 공정 최소 두 원자층 관여.
표면하 변형 메커니즘
나노 절삭에서 절삭 공정 중 가공 표면에 탄성 및 소성 변형 발생. 절삭 공구 통과 후 탄성 부분은 회복, 소성 변형 부분은 영구 변형 유도[1,2]. 절삭 깊이가 원자 규모로 감소하여 단일 원자층 제거 향한 절삭에서 가공 표면에 탄성 변형만 발생한다고 추정. 검증을 위해 절삭 중 및 후 시료 표면하 변형 상태 분석. 그림 8은 다양한 공구 날 반경에서 시료 표면하 결함 구조 보여줍니다. 원자들은 중심 대칭 매개변수(CSP) 기반 색칠, CSP 3 미만 원자 생략(완전 FCC 구조).
절삭 날 반경 4nm 미만 시 가공 표면에 표면하 결함 형성 안 함. 절삭 중 탄성 변형만 발생.
그림 8에서 날 반경 4nm 이상 시 표면하 결함 초기화. 날 반경 증가에 따라 표면하 결함 수 현저히 증가. 날 반경 약 10nm 도달 시 전위 루프 하나 형성, 절삭 후 소멸 안 함(그림 9e). 이는 가공 표면 소성 변형 발생 명백히 나타냄.
공구 시료 표면 통과 후 탄성 변형 부분 회복, 표면하 결함 일부 소멸. 그림 9a-c에서 날 반경 2nm, 3nm 시 최종 표면하 결함 없음.
소성 변형 부분은 영구 변형 유도. 그림 9에서 날 반경 7.5nm 시 소량 표면하 결함 잔류. 날 반경 10nm 시 전위 루프와 적층 결함 최종 시료 표면하 존재.
위 분석에서 절삭 기반 단일 원자층 제거 가능하려면 소성 변형 피하고 가공 표면에 탄성 변형만 허용해야 함 추론. 이는 절삭 기반 단일 원자층 제거 공정 특징적 특성으로 간주.
원자 변위 거동
MD 궤적 파일 분석 결과 전위 운동이 절삭 기반 단일 원자층 제거 공정 지배. 그림 10은 다양한 공구 날 반경 시뮬레이션 결과. 날 반경 2nm 시 절삭 공구 작용 하 제1 원자층만 절삭 방향으로 미끄러져 칩 형성, 나머지는 고정. 이는 한 에지 전위 단면으로 볼 수 있음.
공구 날 반경 증가 시 제1 원자층 내 일부 물질 가공 표면으로 눌려 제1층 아래 원자층 미끄럼 유도. 날 반경 증가에 따라 물질 미끄럼 공정 겪는 원자층 수 증가 경향. 날 반경 4nm 시 제1 원자층 외 제2 원자층도 절삭 방향 물질 미끄럼 수행(그림 10). 날 반경 7.5nm 시 공구 전진에 따라 시료 표면 최상단 세 원자층 절삭 방향 미끄럼. 날 반경 10nm 증가 시 다량 물질 눌려 새 가공 표면 형성, 시료 표면 소성 변형 발생(그림 10e), 그림 9에서도 확인 가능.
그림 11은 대상 원자층 절삭 방향 미끄럼 공정. 미끄럼 영역 면적은 절삭 공구 전진에 따라 지속 확대. 절삭 거리 17.5nm에서 미끄럼 영역 최대값 도달. 이후 미끄럼 영역 내 물질 지속 칩 형성, 칩 부피도 증가.
종합하면 3.3, 3.4절 분석대로 공구 날 반경 증가에 따라 표면하 변형 메커니즘과 원자 변위 거동 크게 변화. 다양한 공구 날 반경에서 다른 수 원자층이 절삭 방향으로 미끄러지며, 가공 표면에서 다른 변형 체제 발생(표 2 요약). 또한 절삭 기반 단일 원자층 제거 공정에서 칩 형성은 전단 응력 구동 전위 운동에 의해 지배되며, 이는 기존 절삭과 나노 절삭 칩 형성과 크게 다름. 이 또한 절삭 기반 단일 원자층 제거 특징적 특성으로 간주.
절삭 힘
날 반경 효과 영향
그림 12는 2Å 절삭 깊이에서 날 반경 효과가 평균 절삭 힘에 미치는 영향. 접선 및 법선 방향 절삭 힘 성분 F_t, F_n 비교. 날카로운 절삭 공구 시 a/R=2.85, F_t 16.4nN이 F_n 23.7nN보다 현저히 작음. 공구 날 반경 증가 시 F_t, F_n 모두 증가. 그러나 F_n 증가 진폭이 F_t보다 훨씬 큼. 이는 날 반경 증가 시 법선 절삭 힘이 ACS 절삭 공정 재료 제거 공정에 더 큰 영향 미침 시사. 그러나 날 반경 약 3nm 초과 시 단일 원자층 제거 달성 불가. 따라서 더 큰 법선 절삭 힘은 절삭 기반 단일 원자층 제거 달성에 도움 안 되며, 더 낮은 법선 절삭 힘 선호.
법선 절삭 힘은 가공 표면 탄성 및/또는 소성 변형 가능하게 하는 압축 응력 제공, 접선 절삭 힘은 칩 형성 가능하게 하는 전단 응력 제공. 따라서 절삭 기반 단일 원자층 제거 칩 형성은 주로 접선 절삭 힘에 의해 구동됨 추론. 그림 12b에서 F_t가 세 종류 변화 보이며, 이는 다른 표면 요철(그림 6)로 이어짐:
공구 날 반경 약 3nm 미만(a/R=0.067) 시 F_t 약 25nN 미만으로 거의 불변. 이 경우 시료 표면에서 한 원자층만 제거.
공구 날 반경 3nm, 5nm 시 a/R 각각 0.04, 0.067, F_t 현저히 증가 약 38.5nN. 결과적으로 한 원자층 이상 제거되나 표면 결함 소량 형성.
날 반경 5nm 초과 시 F_t도 점차 상수값 수렴. 이 경우 한 원자층 이상 제거되나 가공 표면과 표면하에 다량 표면 결함 형성.
따라서 합리적 절삭 날 반경(예: 2nm)에서 매우 낮은 접선 절삭 힘이 절삭 기반 단일 원자층 제거 가능. 반대로 더 큰 접선 절단력에도 단일 원자층 제거 실현 불가.
원자 크기 효과 영향
그림 13은 날 반경 2nm에서 절삭 깊이에 따른 절삭 힘 그래프. 날 반경 2nm에서 절삭 깊이 증가 시 법선 절삭 힘과 접선 절삭 힘 모두 3단계 변화 보임. 약 1.1Å, 1.6Å 절삭 깊이에서 현저 변화. 해당 a/r_w 비율은 0.055, 0.080로 3.1절 언급한 a/r_w 두 임계값 C₁, C₂.
절삭 깊이 1.1Å 미만(a/r_w<0.055) 시 F_t 항상 0nN, F_n 선형 증가 약 32nN. 그러나 절삭 힘 시료 표면 소성 재료 변형과 제거 가능케 못함. 결과적으로 시료 표면 탄성 변형만 발생(그림 3).
절삭 깊이 1.1Å 초과 1.6Å 미만(0.055
절삭 깊이 1.6Å 초과 시 F_t, F_n 모두 시료 표면 연속 재료 제거 가능케 충분히 큼. 결과적으로 시료 표면에서 칩 안정 형성, 대상 원자층 칩 형성 통해 지속 제거되어 새 가공 표면 형성(그림 5b, 6b).
종합하면 절삭 날 반경 효과와 원자 크기 효과 모두 절삭 기반 단일 원자층 제거 공정 절삭 힘에 영향 미쳐 재료 제거와 표면 생성 공정 변화.
절삭 기반 단일 원자층 제거 메커니즘 논의
위 분석대로 원자 크기 효과와 절삭 날 반경 효과 모두 절삭 기반 단일 원자층 제거 메커니즘에 큰 영향. 표 3 요약대로 절삭 깊이와 시료 원자 반경 비율(a/r_w), 절삭 깊이와 날 반경 비율(a/R)에 따라 절삭 기반 단일 원자층 제거 공정에서 최소 5가지 대표적 재료 변형 및 제거 거동 사례 존재. 이 섹션에서 각 사례 기본 재료 변형 및 제거 메커니즘 요약.
기존 가공에서 절삭 깊이가 절삭 날 반경보다 현저히 크면 날 반경 효과 무시 가능. 절삭 깊이가 나노규모로 감소하여 날 반경과 비슷하거나 낮아지면 날 반경 효과 무시 불가. 나노 절삭에서 재료 제거 공정은 압출 변형 지배적, 날 반경 영향 큼. 절삭 깊이가 원자 규모로 더 감소하면 날 반경 효과 외에 새로운 크기 효과인 원자 크기 효과[20]가 재료 제거에 큰 영향.
그림 14에서 절삭 기반 단일 원자층 제거 공정에는 나노미터 절삭 날과 최하단 절삭 공구 원자(B) 두 부분 관여. 이 두 부분 결합으로 단일 원자층 제거 가능. 절삭 날 크기 '나노 공구'로 간주, 날 반경(R)으로 기술. 절삭 날은 절삭 공구 최외곽 원자 포락선. 최하단 원자 '원자 공구'로 간주, 시료 원자 반경(r_w)으로 기술. 절삭 기반 단일 원자층 제거는 나노 공구와 원자 공구 시료 재료 결합 작용 결과.
첫째, 절삭 깊이(a)와 시료 원자 반경(r_w) 비율 a/r_w에 따라 ACS 절삭 공정에서 세 종류 재료 변형 거동 존재.
- 1. a/r_w 비율이 임계값 1(C₁)보다 작은 경우.
그림 15에서 칩 형성 안 발생, 시료 표면 탄성 변형 발생. 절삭 공정 중 시료가 절삭 공구 최하단 점 통과 후 탄성 변형 부분 완전 회복. 결과적으로 최상단 표면 재료 변형 및 제거 없음. 이 경우 공구 날 효과 무시 가능. 이 비율은 재료 물성 영향(사례 1).
- 2. a/r_w 비율이 C₁보다 크지만 임계값 2(C₂)보다 작은 경우.
절삭 깊이와 원자 반경 비율(a/r_w) 증가로 C₁ 초과 C₂ 미만 시 시료 표면 재료 제거 발생하나 불연속. 이 경우 대상 원자층 내 일부 물질만 전단 응력 구동 전위 운동으로 칩 형성, 나머지는 시료 표면 잔류. 절삭 공구 시료 표면 통과 시 가공 표면 품질 심각 악화(사례 2)(그림 16).
- 3. a/r_w 비율이 임계값 2(C₂)보다 큰 경우.
절삭 깊이와 원자 반경 비율(a/r_w) 증가로 임계값 초과 시 절삭 공정 중 칩 형성으로 연속 재료 제거 발생. 이 경우 날 반경 효과 더 이상 무시 불가. ACS 절삭 공정 최대 절삭 깊이는 서브나노미터 오더. 극도로 낮은 절삭 깊이에서 공칭 경사각과 무관하게 유효 경사각 항상 크게 음수. 음수 경사면은 전위 운동에 의한 칩 형성 가능 전단 응력과 가공 표면 탄성/소성 변형 유도 압축력 생성.
절삭 깊이(a)와 공구 날 반경(R) 비율 a/R에 따라 가공 표면에서 다른 종류 탄성/소성 변형 공정 발생. a/R 두 임계값, 임계값 1(T₁), 임계값 2(T₂) 존재, 다른 재료 제거 공정 유도.
- a. a/R 비율이 임계값(T₁)보다 큰 경우.
그림 17에서 한 원자 미끄럼 면 존재. 이 면 아래 시료 물질 탄성 변형. 이 면 위 물질 전위 운동 소성 변형. 일부 물질 전단 응력 구동 전위 운동으로 칩 형성, 다른 일부 전위 미끄럼 수행. 시료가 절삭 공구 최하단 점 통과 후 탄성 변형 부분 완전 회복(사례 3).
- b. a/R 비율이 임계값 1(T₁)보다 낮지만 임계값 2(T₂)보다 큰 경우.
절삭 날 작용 하 최소 두 원자층 전위 미끄럼 수행, 가공 표면 탄성 변형 발생(그림 18). 절삭 날은 전위 운동 칩 형성 가능 전단 응력과 가공 표면 탄성 변형 유도 압축 응력 제공. 이 경우 대상 원자층 내 일부 물질 전위 운동으로 칩 형성, 다른 일부 다른 원자층으로 압출되어 새 가공 표면 형성. 시료 표면 다른 원자층 미끄럼도 구동, 음 전위 상승 유도. 시료 물질 절삭 공구 최하단 점 통과 후 탄성 부분 회복(사례 4).
- c. a/R 비율이 임계값 2(T₂)보다 낮은 경우.
a/R 비율 T₂ 미만 감소 시 칩 형성 없거나 극소량 칩 형성, 가공 표면 탄성-소성 변형 발생(그림 19). 시료 물질 절삭 날 최하단 점 통과 후 탄성 변형 부분 회복. 소성 변형 부분(Δ) 영구 변형 유도. 이 비율은 재료 물성, 공구 형상, 공정 조건 관련(사례 5).
결론
본 연구에서는 단결정 구리 절삭 시 단일 원자층 제거 향한 칩 형성, 표면 생성, 표면하 변형, 원자 변위 거동에 미치는 원자 크기 효과와 절삭 날 반경 효과 영향을 분석했습니다. 다음과 같은 결론 도출.
- 1. 절삭 기반 단일 원자층 제거 공정 하부 재료 변형 및 제거 메커니즘 기술 새 모델 제안. 전위 운동 칩 형성, 가공 표면 탄성 변형 발생, 원자 크기 효과, 절삭 날 반경 효과 네 가지 특성 보임.
- 2. 원자 크기 효과와 절삭 날 반경 효과 모두 단결정 구리 단일 원자층 제거 향한 절삭 공정 재료 변형 및 제거에 큰 영향. 특정 a/r_w 비율과 a/R 비율에서 Cu(111) 표면 절삭 기반 단일 원자층 제거 달성 가능.
- 3. 칩 형성은 a/r_w, a/R 비율 영향 받음. a/r_w가 임계값(C₁)보다 크고 a/R이 임계값(T₁)보다 작을 때만 칩 형성 발생. 또한 칩 형성은 주로 전단 응력 구동 전위 운동 의존, 나노 절삭 압출 지배 칩 형성 및 기존 가공 전단 지배 칩 형성과 크게 다름.
- 4. 단일 원자층 제거는 층별 제거와 다층 제거로 달성 가능. 전자는 대상 원자층 시료 표면에서 완전히 제거됨 의미. 후자는 제1 원자층 일부 제거, 나머지 물질 다른 원자층으로 압출되어 새 가공 표면 형성 의미.
- 5. ACS 절삭 공정 중 가공 표면에 탄성 변형만 발생, 나노 절삭 탄성-소성 변형과 다름. ACS 절삭 특징적 특성으로 간주.
- 6. 원자 크기 효과와 절삭 날 반경 효과 결합 효과에 따라 절삭 기반 단일 원자층 제거 중 다섯 사례 재료 변형 및 제거 공정 존재: 시료 물질 제거 안 됨(사례 1), 시료 물질 불연속 제거(사례 2), 일부 물질 칩 형성, 다른 일부 전위 운동으로 물질 미끄럼(사례 3), 대상 원자층 내 일부 물질 칩 형성, 다른 일부 다른 원자층 압출로 새 가공 표면 형성(사례 4), 탄성 변형 부분 회복, 소성 변형 부분 영구 변형 유도(사례 5).
데이터 및 자료 가용성
저자들은 독자들에게 재료, 데이터, 관련 프로토콜 이용 가능함을 선언하며, 분석에 사용된 모든 데이터는 본 논문에 포함되어 있습니다.
약어
- ACS:
- 원자 및 원자 근접 규모
- ACSM:
- 원자 및 원자 근접 규모 제조
- MD:
- 분자 동역학