本書采用分子動力學模擬的研究方法，對微裝備、微制造領域的納米摩擦和磨損問題進行了系統(tǒng)論述。其主要內(nèi)容包括：緒論、分子動力學的原理與方法、納米壓入過程模擬、空氣條件下納米磨料磨損行為、含水膜條件下單晶銅納米薄膜材料的磨損行為、化學機械拋光過程的分子動力學、晶界對納米多晶銅力學性能的影響。本書主要應用LAMMPS大規(guī)模并行軟件進行模擬計算，其中還涉及大量對位錯理論、相變理論和相場方法的應用討論，內(nèi)容針對性強，可為解決微裝備、微制造領域的納米摩擦和磨損問題提供幫助。
1）本書采用分子動力學模擬的研究方法，對微裝備、微制造領域的納米摩擦和磨損問題進行了系統(tǒng)論述。
2）主要內(nèi)容包括：緒論、分子動力學的原理與方法、納米壓入過程模擬、空氣條件下納米磨料磨損行為、含水膜條件下單晶銅納米薄膜材料的磨損行為、化學機械拋光過程的分子動力學、晶界對納米多晶銅力學性能的影響。
3）本書主要應用LAMMPS大規(guī)模并行軟件進行模擬計算，其中還涉及大量對位錯理論、相變理論和相場方法的應用討論，內(nèi)容針對性強，可為解決微裝備、微制造領域的納米摩擦和磨損問題提供幫助。
隨著微機電系統(tǒng)（MEMS）的應用日益成熟和大規(guī)模集成電路制造的需求越來越旺盛，制造和應用中產(chǎn)生的摩擦學問題近年來得到了國內(nèi)外學者的關注和重視。這兩個領域的摩擦學研究屬于納米摩擦學范疇，在應用方面，學者們主要關注如何減少摩擦和磨損；而在制造方面，學者們的興趣則主要在如何科學利用和調(diào)控摩擦和磨損，典型的應用就是芯片制造中的化學機械拋光。在化學機械拋光中，研究人員想方設法在產(chǎn)生盡可能少的缺陷的基礎上，有效增大被拋光材料的磨損率，即材料的去除率，這和在應用中要盡可能減少材料磨損是截然相反的。
納米摩擦學研究的蓬勃發(fā)展離不開現(xiàn)代顯微檢測技術，如掃描電子顯微鏡（SEM）、高分辨率透射顯微鏡（HRTEM）、X射線光電子能譜（XPS）、掃描隧道顯微鏡（STM）、原子力顯微鏡（AFM）、納米壓痕儀（NI）等。其中新型的納米壓痕儀還結合了原子力顯微鏡，它除了能開展納米壓痕試驗外，還可以應用于納米劃痕試驗，從中可以得到許多精確的納米級或微米級的材料力學行為，如壓入硬度、彈性模量、屈服強度、斷裂韌度等。有的新型納米壓入裝置還可以用于微納尺度材料的壓縮、拉伸、斷裂、疲勞摩擦和磨損等測試，極大地推動了納米摩擦學的研究。理論上，分子模擬技術，特別是分子動力學模擬軟件的發(fā)展，無疑給納米摩擦學研究增添了助推劑，它可以打破和克服納米尺度真實試驗工作的局限，運用大規(guī)模多CPU并行處理的計算機來完成納米尺度摩擦磨損過程的模擬。分子模擬理論和現(xiàn)代顯微檢測技術協(xié)同合作，使人類把視野延伸到原子和分子水平。在此基礎上，從事跨尺度的研究才真正成為可能。
納米摩擦學與宏觀摩擦學一樣，涉及摩擦、磨損和潤滑，也屬于交叉學科的范疇，數(shù)學、物理學、化學、力學、機械學、晶體學、材料學等都與納米摩擦學相關聯(lián)。本書僅涉及其中一個方向，即運用分子動力學計算軟件LAMMPS模擬幾種材料的納米磨損過程，期望從中得出規(guī)律性的認識，并能對該領域的應用實踐打下基礎。
第1章簡要綜述了分子動力學的發(fā)展及其應用價值；第2章概述了分子動力學的原理、作用勢函數(shù)和模擬工具；第3章從納米壓入原理和試驗入手，論述了使用分子動力學模擬得到的對單晶銅、單晶硅的納米壓入的規(guī)律性認識，在該章的后一節(jié)，還專門敘述了單晶納米線的拉伸行為，提出材料尺度對材料性能有重要影響的支撐觀點；第4章系統(tǒng)論述了在空氣潤滑下單晶銅的納米二體和三體磨料磨損的模擬試驗及其規(guī)律，介紹了單晶硅的納米磨料磨損，指出納米尺度與宏觀磨料磨損的主要區(qū)別之一在于不能忽略被磨表面的彈性回復作用，據(jù)此，完善了納米尺度下橢球磨料的滑動與滾動的判據(jù)；第5章分析了在含水膜條件下單晶銅的納米壓入、二體及三體磨料磨損的行為，并將磨料滾動與滑動的判據(jù)延伸到有水潤滑的條件，水膜的存在能降低摩擦因數(shù)并影響材料的去除率；第6章直接針對化學機械拋光過程，系統(tǒng)討論了單晶硅表面覆蓋有無定形二氧化硅膜情況下的納米壓入和磨損行為，并在含有水膜的情況下，分析了材料的磨損去除機理，還采用非剛性磨料模擬磨損過程，發(fā)現(xiàn)采用非剛性磨料時，相比剛性磨料，材料去除效率較高，單晶硅表面去除質量好，基體無缺陷；第7章中，作者采用分子動力學系統(tǒng)研究了納米多晶銅的變形行為，并結合使用相場法構建了更接近實際的多晶模型，定量分析了晶界的移動和孿晶演化過程，為將來合理設計晶體結構提供了理論依據(jù)。
本書為《磨料磨損》的續(xù)作。書中主要內(nèi)容為作者十余年相關科研工作的總結。作者指導的博士生孫甲鵬（河海大學副研究員）、史俊勤（西北工業(yè)大學副教授）、陳娟（太原科技大學講師）、張猛（日本東京大學博士后）和優(yōu)秀碩士生朱向征（深圳邁瑞生物醫(yī)療電子股份有限公司）整理了書中主要章節(jié)內(nèi)容及計算數(shù)據(jù)。特別是張猛博士為本書的排版做了重要的工作，在此一并向同學們表示衷心感謝。也衷心感謝在指導研究生過程中，作者所在研究組老師，特別是孫琨教授的協(xié)助指導和幫助。同時感謝國家自然科學基金委員會對本書的出版提供的經(jīng)費支持（MEMS中的納米三體磨料磨損，項目編號：51375364）。感謝所有支持過本人的朋友、家人和親戚。
書中的錯誤在所難免，期望廣大讀者諒解，并提出建設性的意見，以幫助作者在本書再版時訂正。
為便于讀者分析、理解內(nèi)容，對于一些重要的彩色圖，均附于書后的插頁中，對于未在插頁中列出的彩色圖，如認為有必要，歡迎讀者通過電子郵件向作者索取，作者電子郵箱為：fangl@mail.xjtu.edu.cn。
方亮
前言
第1章緒論1
1.1分子動力學模擬的發(fā)展歷史1
1.2分子動力學模擬的應用與意義2
1.3分子動力學模擬的發(fā)展趨勢4
參考文獻6
第2章分子動力學的原理與方法10
2.1分子動力學原理10
2.1.1N原子系統(tǒng)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時間步長13
2.1.6總模擬時間14
2.1.7系綜類型14
2.1.8溫度和壓力控制14
2.1.9能量小化15
2.2分子間相互作用與勢函數(shù)16
2.2.1對勢16
2.2.2Morse勢17
2.2.3SW勢函數(shù)17
2.2.4Tersoff勢函數(shù)18
2.2.5 EAM勢函數(shù)19
2.3周期性邊界條件20
2.4分子動力學模擬工具21
2.5缺陷的分析及可視化23
2.5.1缺陷的分析識別方法23
2.5.2可視化方法25
參考文獻25
第3章納米壓入過程模擬28
3.1概論28
3.2納米壓入原理和試驗28
3.3分子動力學模擬納米壓入過程37
3.3.1模擬方法38
3.3.2納米力學行為及性能39
3.3.3塑性變形機理43
3.4單晶銅納米壓入的彈性回復行為46
3.4.1引言46
3.4.2分子動力學模型以及單晶銅力學參量47
3.4.3恒定速度加載條件下的彈性回復48
3.4.4恒定載荷速率加載條件下的彈性回復54
3.4.5單晶銅的蠕變和應力松弛現(xiàn)象60
3.4.6小結61
3.5單晶硅的納米壓入行為62
3.5.1相識別和表征方法62
3.5.2納米壓痕中單晶硅的相變65
3.6單晶納米線的拉伸行為68
3.6.1引言68
3.6.2模型及方法69
3.6.3模擬結果70
參考文獻79
目錄第4章空氣條件下納米磨料磨損行為83
4.1概論83
4.2磨料磨損基本理論83
4.3空氣條件下納米尺度單晶銅的二體磨料磨損85
4.3.1單晶銅二體磨料磨損模型構建85
4.3.2單晶銅二體磨料磨損分子動力學87
4.4空氣條件下納米尺度單晶銅的三體磨料磨損97
4.4.1單晶銅三體磨料磨損的分子動力學模型97
4.4.2恒載下單晶銅的三體磨料磨損模型102
4.4.3納米橢球形磨料滾滑判據(jù)104
4.4.4空氣下單晶銅的納米三體磨料磨損111
4.5空氣條件下納米尺度單晶硅的磨料磨損122
4.5.1單晶硅磨料磨損分子動力學模擬方法122
4.5.2單晶硅磨料磨損行為125
4.5.3單晶硅納米磨料磨損時的塑性變形130
4.5.4納米磨料磨損中單晶硅的相變131
4.5.5單晶硅相變的應力機理136
4.5.6小結139
參考文獻140
第5章含水膜條件下單晶銅納米薄膜材料的磨損行為143
5.1概論143
5.2單晶銅含水膜的納米壓入行為143
5.2.1引言143
5.2.2模型與模擬方法144
5.2.3水膜對單晶銅塑性變形的影響145
5.2.4壓入方式對單晶銅塑性變形的影響151
5.2.5單晶銅應力松弛與彈性回復158
5.2.6小結163
5.3單晶銅含水膜的二體磨料磨損163
5.3.1模型與模擬方法163
5.3.2水膜對摩擦力的影響165
5.3.3單晶銅表面形貌167
5.3.4單晶銅塑性變形170
5.3.5單晶銅磨損評價173
5.3.6單晶銅單原子層磨料磨損機理174
5.3.7小結184
5.4單晶銅含水膜的三體磨料磨損185
5.4.1引言185
5.4.2模型與模擬方法185
5.4.3磨料形狀對單晶銅三體磨料磨損的影響187
5.4.4載荷對單晶銅三體磨料磨損的影響196
5.4.5驅動速度對單晶銅三體磨料磨損的影響202
5.4.6小結206
5.5含水膜的納米三體磨料磨損理論模型207
5.5.1引言207
5.5.2含水條件下磨料運動方式的理論模型208
5.5.3含水條件下磨料滾滑判據(jù)的討論與分析211
5.5.4彈性回復對磨料運動方式的影響215
5.5.5多因素耦合的磨料滾滑判據(jù)216
5.5.6小結217
參考文獻218
第6章化學機械拋光過程的分子動力學222
6.1概論222
6.2SiO2/Si雙層納米材料的壓痕行為222
6.2.1引言222
6.2.2小壓痕下納米壓痕行為223
6.2.3大壓痕下納米壓痕行為233
6.2.4壓痕速度對SiO2/Si納米材料的影響244
6.2.5小結253
6.3SiO2/Si雙層納米材料的蠕變及應力松弛行為253
6.3.1引言253
6.3.2蠕變行為254
6.3.3應力松弛行為264
6.3.4小結270
6.4SiO2/Si雙層納米材料的摩擦磨損行為271
6.4.1引言271
6.4.2建模272
6.4.3載荷及薄膜厚度對摩擦力的影響273
6.4.4材料去除行為及表面質量分析276
6.4.5磨料尺寸對摩擦磨損的影響285
6.4.6磨料種類對磨損的影響287
6.4.7SiO2磨料性質對摩擦磨損的影響288
6.4.8去除模型293
6.4.9小結294
參考文獻295
第7章晶界對納米多晶銅力學性能的影響301
7.1概論301
7.2基于多相場理論構建多晶體系302
7.2.1多相場理論簡介302
7.2.2多晶銅晶粒生長模型302
7.2.3三維多相場并行求解304
7.2.4MD模擬方法及參數(shù)簡介306
7.3相場模型和規(guī)整多晶對比308
7.3.1引言308
7.3.2力學特性及變形行為對比分析309
7.3.3晶界應力集中對比分析310
7.3.4位錯及HCP結構(SFs和TBs）對比分析311
7.3.5不同晶粒尺寸下多晶銅膜的變形機制313
7.3.6力學特性及變形行為314
7.3.7孿晶對晶粒變形的影響315
7.3.8孿晶與HCP結構(SFs和TBs）的相互作用316
7.3.9小結318
7.4不同應變率和溫度下多晶銅變形機制318
7.4.1引言318
7.4.2不同應變率下力學特性及變形行為319
7.4.3不同溫度下力學特性及變形行為323
7.4.4晶界活動對力學特性的影響326
7.4.5變形機制及影響晶界活動的因素327
7.4.6小結332
7.5不同晶粒尺寸的三維多晶銅變形機制333
7.5.1引言3
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