奈米尺度摩擦模擬分析（磨耗、止滑）

使用全原子分子動力學 (Full Atomistic MD) 進行奈米尺度的摩擦、磨耗與加工模擬

技術介紹

分子模擬正越來越多地應用於與奈米摩擦學相關的領域，例如奈米尺度的摩擦、磨耗以及製程加工 [1]。在微米等巨觀尺度所觀察到的現象（例如表面粗糙度、黏滑行為），也必須納入考量。另一方面，在奈米尺度上，原子間作用力的影響會更加顯著。

圖 1 示範了一個在奈米尺度下進行磨耗或奈米製程的模擬，內容改編自文獻 [2,3]。結構是透過 J-OCTA 建模，並使用 LAMMPS 進行分子動力學 (MD) 計算。為了估算藍寶石（單晶氧化鋁）與鐵之間的相互作用勢能，使用了 SIESTA 進行密度泛函理論 (DFT) 計算，而在鐵內部則套用 EAM（嵌入式原子法）勢能。我們可以看到當藍寶石壓向鐵表面時，會穿透並磨去鐵的表面（即磨耗現象）。

當然，考慮到分子動力學可處理的空間與時間尺度（約 10 nm：僅限於表面層，且通常無法確知實際結構；約 10–100 ns：變形速度遠快於實驗測量）[4]，其討論範圍仍有侷限。

技術特色

透過評估水平方向與垂直方向的力，可估算奈米尺度的摩擦係數。

這類研究預期可應用於奈米尺度的半導體材料製程，如矽晶圓的化學機械研磨 (CMP, Chemical Mechanical Polishing)。

若您對此類計算感興趣，歡迎隨時與我們聯繫。

圖 1. 奈米尺度下藍寶石研磨表面的過程 (左)初始階段 (右)後期階段

References

[1] J. Molecular Liquids 335, 116154, (2021)

[2] Applied Surface Sci., 509, 144676, (2020)

[3] Applied Surface Sci., 616, 156549, (2023)

[4] What you need to know when using molecular modeling and simulation for materials design