摘要：研究微纳加工过程中单晶硅内纳米裂纹的演化，对提高工件的表面质量有重要意义。本文采用分子动力学模拟和理论计算两种方法，研究了纳米压痕过程和超精密机械抛光过程中单晶硅内纳米裂纹的演化情况。分子动力学模拟的结果表明，压痕过程和抛光过程中单晶硅内纳米裂纹的演化结果都是闭合而不是扩展。根据不同的裂纹倾角，发现了两种不同的裂纹闭合方式：原子的协同位移和相变原子的填充。其中，由原子协同位移引起的裂纹闭合会显著减小压头或磨粒的压入载荷。同时压头、磨粒和裂纹附近存在相变，部分相变在磨粒离开后能够恢复，裂纹的演化会对原子相变结果造成显著影响。另一方面，裂纹的存在会增加工件的初始势能，但可以降低加工过程中产生的热量和势能的增加速度。适当的裂纹可以减小压痕和抛光后相变区的尺寸，达到减少表面和亚表面损伤的效果。通过理论计算得出的应力曲线揭示了不同裂纹演化的内在机理，能更加深入了解裂纹演化过程中所处的各个状态。压痕过程中建立了竖直和倾角为45^o的两种裂纹，并探究了10m/s、25m/s和50m/s三种不同压痕速度对单晶硅中纳米裂纹演化的影响。结果表明竖直裂纹会被直接压溃，而倾角为45^o的裂纹由原子的协同位移导致愈合。不同的裂纹尖端表现出不同的应力分布状态和不同的演化趋势。倾角为45^o的裂纹有滑移和扩展的趋势，而竖直裂纹主要有滑移的趋势。此外，压头加载速度越大，工件纳米压痕区温度越高，势能越大，但加载速度对载荷变化趋势的影响不大。抛光过程中建立了倾角为135^o、竖直和倾角为45^o的三种裂纹，并探究了300K、600K、900K和1200K四种不同初始温度对抛光过程中纳米裂纹的演化结果影响。原子的协同位移是倾角为135^o裂纹和竖直裂纹的主要愈合方式，而倾角为45^o裂纹的愈合经历了相变原子的填充和原子的协同位移两个过程。在这三种裂纹中，竖直裂纹的闭合效果最好但相变原子最多，倾角为45^o裂纹的愈合效果最差。三种裂纹都有过扩展的趋势，但因为应力小于扩展的屈服极限，因此裂纹最终并未扩展。裂纹尖端的位错伴随着整个抛光过程，且随着抛光距离的增加而发生改变。此外，初始温度的变化会影响裂纹闭合的结果，改变相变原子的总数，但对高压相变原子的影响不大。四种不同的初始温度中，600 K时裂纹闭合最好。研究结果可为少缺陷单晶硅的制备提供有益指导。
 

亚表面损伤,机械抛光,纳米裂纹,分子动力学模拟,理论计算