納米加工技術(shù)中分子動力學的應用

邱旭民

摘 要：分子動力學通過在不同的狀態(tài)下構(gòu)成的分子體系中抽取樣本，進行計算體系構(gòu)型積分，再以構(gòu)型積分的運算結(jié)果為基礎完成計算體系的熱力學量與其他宏觀的性質(zhì)，分子動力學的應用是較為廣泛的。本文通過分析分子動力學的內(nèi)容及原理，并對其在納米加工技術(shù)中的運用加以分析，以期為各位同行提供參考。

關(guān)鍵詞：納米加工技術(shù)；分子動力學；應用；分析

分子動力學是一種常見的對物質(zhì)分子或原子進行計算模擬的方法，通過研究，可以實現(xiàn)材料的設計和性能的預測。而納米技術(shù)是利用單個的原子和分子來制造出新物質(zhì)的新技術(shù)，它也是現(xiàn)代科學技術(shù)的集成者，包括多個新型科學分支，將分子動力學運用到納米加工技術(shù)中去，對推動納米技術(shù)的發(fā)展有著重要意義。

一、分子動力學與納米加工技術(shù)的含義及現(xiàn)狀

（一）分子動力學的含義及現(xiàn)狀

分子動力學是集合物理、化學、數(shù)學的一門綜合技術(shù)，其實質(zhì)是一種計算方式，是對固體、液體、氣體的分子運動的過程中所產(chǎn)生的現(xiàn)象及聯(lián)系其本質(zhì)的方法論，通過這種模擬計算的方式探究出新的分子運動規(guī)律，再將這些研究成果運用到機械加工中，促進機械加工技術(shù)的進步。因分子動力學具備有效、準確的優(yōu)勢，所以在實際生活中，人們經(jīng)常將分子動力學的方法與統(tǒng)計模擬方法相聯(lián)合，廣泛應用于物理、生物、醫(yī)學、化學，材料等各個領(lǐng)域。

（二）納米加工技術(shù)的含義及現(xiàn)狀

納米加工技術(shù)主要是利用單個分子、原子制造出新物質(zhì)的技術(shù)，納米加工的目標是要做出納米級的物質(zhì)加工制造品，納米級又細分為納米級的精度加工和納米級的表層加工，其加工的內(nèi)容主要是分子和原子的去除、重組和搬遷，以實現(xiàn)機械、半導體、電子、傳感器策略技術(shù)、光學和材料科學的進步。目前的納米加工主要包括化學合成技術(shù)、納米壓印技術(shù)、準分子激光直寫技術(shù)、聚焦離子束技術(shù)等多種新興技術(shù)。納米技術(shù)的應用符合廣闊的市場需求，也是加強國防戰(zhàn)略的重要內(nèi)容。納米技術(shù)在國防布局中的應用也十分廣泛，例如：慣導儀表的精密陀螺、大規(guī)模的電路集成硅片、激光型核聚變反射鏡、計算機磁盤、復印機磁鼓以及天體望遠鏡的反射鏡與多面棱鏡等，都需要運用納米級加工方式來達成。

隨著國家對新型科學技術(shù)的更加重視與資金方面的大力投入，我國在納米級技術(shù)的研究方面也取得了顯著的進步。例如在電子器件制造領(lǐng)域，科學家們發(fā)現(xiàn)了單電子室溫隧穿效應、單電子單原子隧道結(jié)等，創(chuàng)造出性能較高的光電探測器和夾層型的超微量子機械。清華大學研究人員制作出100nm級MOS微型器件和大量的具有硅微性質(zhì)的集成傳感器、馬達和麥克風等系列產(chǎn)品，并且利用微納米的加工新技術(shù)方法建立起新型的微系統(tǒng)工程。在其他微型技術(shù)領(lǐng)域也有著豐碩成績，例如，復旦大學制備出高速度、高密度的存貯器所用的雙穩(wěn)態(tài)薄膜；中國科學院研制了阱紅外量子探測器（13～15mm）；中科院的北京物理真空實驗室和科學院化學所以及北京大學等相關(guān)單位的研究人員在有機單體薄膜NBPDA上確立了點陣，它的存儲密度是現(xiàn)用的光盤信息存儲的近百萬倍。

二、將分子動力學內(nèi)容運用到納米加工技術(shù)的意義及內(nèi)容

（一）分子動力學在納米加工技術(shù)中的意義

納米加工技術(shù)的目標是為了獲取品質(zhì)和精度更高的物質(zhì)，將分子動力學運用到納米加工技術(shù)中來具有兩方面的意義。一方面是滿足了現(xiàn)今機械制造的要求，納米加工是一項新式的制造技術(shù)，它能在0.1-100納米的尺度范圍內(nèi)，對機械材料物質(zhì)的原子與分子進行加工，并且創(chuàng)制出具有特定性能的物質(zhì)，納米的切削加工也只在包含幾個到幾百個的原子層中進行，區(qū)域非常的狹小，整個切削的過程中是不能依靠原先傳統(tǒng)技術(shù)得以實現(xiàn)的，只能采取分子動力學的方法加以運用。例如，在納米加工的過程中因為實驗計算方面或?qū)η邢饔^察的不準確性而導致所得的結(jié)論或多或少存在一些誤差。而將分子動力學的理論加以運用后能夠使用模擬實驗從而避免誤區(qū)，使之得出的結(jié)論更具有參考價值。另一方面，這種運用方法也提升了我國新物質(zhì)技術(shù)的進步，舉例來說，要想突破目前切削的極限，追求更高、更穩(wěn)定的納米加工技術(shù)，就迫使納米加工技術(shù)必須吸收新的內(nèi)容以豐富自己手段，根據(jù)分子動力學為納米加工技術(shù)鋪墊的理論基礎獲得出實踐經(jīng)驗，其經(jīng)驗理論又反過來推動了我國科技水平的提高。這種加工技術(shù)的應用能夠為超精密的機械加工工藝帶來一場革命，并且能夠極大程度上推動納米加工技術(shù)的研究成果更上一層樓。

（二）將分子動力學內(nèi)容運用到納米加工技術(shù)的內(nèi)容

將分子動力學與納米加工技術(shù)結(jié)合起來，其內(nèi)涵主要涉及以下幾個重要方面：

第一，納米切削過程的完成，切削過程是納米加工不可或缺的重要一環(huán)，將研究材料進行納米切削以此達到制成品高性能、精密性的要求，納米加工方式還包括磨料加工、特種加工以及復合加工等方式。此外，納米加工也可以分為機械加工、能量束加工、化學腐蝕、復合型加工等類別，切削加工作為機械加工的重要方面，始終具有重要地位；

第二，原子間勢函數(shù)的求導，勢函數(shù)的構(gòu)造計算涉及較多數(shù)據(jù)，經(jīng)驗勢函數(shù)的計算方法是在選擇勢函數(shù)形式不要求其理論基礎十分確切的基礎上開展的，而在自由選擇的方式的總結(jié)經(jīng)驗和方便擬合的程度中進行求導，使經(jīng)驗方法中的勢函數(shù)更加簡單；

第三，分子動力學模擬中最為核心的內(nèi)容就是得出所有粒子運動的規(guī)律，粒子運動所涉及的微分方程組也是分子動力學的構(gòu)成要求，可以利用有限差分法進行解答。

三、分子動力學在納米加工技術(shù)中的原理應用及展望

（一）分子動力學在納米加工技術(shù)中的原理應用

將分子動力學運用到納米加工技術(shù)中主要分為三個方面：

第一，模擬過程中的原理運用，分子動力學將所研究的材料看做是由無數(shù)個分子或原子組成的整體粒子系統(tǒng)，通過量子力學中勢能函數(shù)的應用而求導出各個粒子之間的作用力，再利用得到的粒子運動狀況，然后根據(jù)物理學中的原理對其宏觀動態(tài)和靜態(tài)的特性進行分析。

第二，計算分子間的作用力，想要準確的計算出分子間的作用力就要用到量子力學的知識，通過大量的演算來獲得排列在架構(gòu)中的任何原子的總能量。但這個運算過程是異常繁雜的，實踐起來非常困難。因此，相關(guān)研究人員對其計算做出了簡化，制定出了多體勢和對偶勢的三種最為典型的勢函數(shù)形式，上面已經(jīng)做出介紹，在此不再贅述。

第三，周期邊界條件的運用，邊界條件是指運算內(nèi)容在其邊界上應該滿足的條件，周期邊界條件的內(nèi)容是把所以的粒子都放置在一個特定的容積中，通過限定邊界使之減輕了工作難度，在以往的試驗中，由于分子動力學容易在模擬中，因模擬中的粒子數(shù)量少于實際數(shù)量而造成誤差，而粒子數(shù)量的差異又會引起模擬實驗中的尺寸效應。所以，為了將分子動力學納入規(guī)范化的模擬中，就必須添加周期邊界條件。

（二）納米加工技術(shù)中分子動力學應用的發(fā)展展望

近年來，隨著科學技術(shù)的日趨精進，分子動力學被應用到納米機械加工的過程中，也取得了巨大成就和長足的進步。以國外的分子動力學研究切削機理為例，日本與美國學者通過對分子動力學運用，模擬其對單晶體的垂直切削過程，建立起二維、三維的原子模型概貌，在模擬切削的過程中分析產(chǎn)生的切削現(xiàn)象，切削模擬實驗中注意到了兩方面的觀察，一是注意切削力在模擬過程中的影響，通過改變勢能函數(shù)的參數(shù)值來改變切削的結(jié)果；二是關(guān)注切削溫度對于切削實驗的影響，要使模擬實驗得出的結(jié)果更加精確就不能忽視“溫度”這一重要因素，分子由勢能到動能的轉(zhuǎn)化不是人為來控制的，而是當滿足一定條件后分子自行轉(zhuǎn)變，受到錯位運動的影響，切削熱以晶格振動形式表現(xiàn)出來。據(jù)此，切削溫度可以在模擬中通過標度速度的方式來進行研究。

另外，在此項研究中，筆者也提出幾點將分子動力學運用在納米加工技術(shù)中去的發(fā)展展望方向，并以此提高發(fā)展能力，主要分為以下三個方面：

其一，改進運算方法，提高模擬實驗的速度，提升技術(shù)水平。在以往的計算中經(jīng)常要對大量的分子運動進行研究，復雜的計算內(nèi)容致使所得出結(jié)果往往與實際結(jié)果不一致，而通過提高模擬速度的方式來開展更大規(guī)模的方法研究，利用擴大模擬系統(tǒng)中粒子數(shù)目來減小誤差從而得到更為精確的模擬結(jié)果；

其二，加強對分子動力學模擬使用，并拓寬模擬實驗的使用范圍，研究出更準確的加工方式，并對多晶體加工模擬進行實驗探索，延伸分子動力學的運用界限，加強對拋光、研磨等加工機理精密的研究摸索出更具有進步性、科學性的加工方法；

其三，分子動力學的發(fā)展研究是具有廣闊前景的，建立起金屬原子互相作用的模型，并更加深入理論研究，以密度泛函的理論內(nèi)容來修正傳統(tǒng)勢函數(shù)的不合理之處并對密度泛函理論進行改進，加強納米加工里的機理問題研究以豐富原子級加工內(nèi)容等。

四、結(jié)語

分子動力學以模擬分子、原子運動的角度來帶給人們探究微觀世界的新方式，也為促進加工技術(shù)更新奠定基礎。但目前的分子動力學研究還處于不完善的階段，還存在模擬耗時長、勢函數(shù)不足、計算規(guī)模不大等一系列缺陷，還需要擴大模擬的規(guī)模和尺度，找尋最為合適的勢函數(shù)等，不斷加強探索以促進微觀科學研究的整體發(fā)展。

參考文獻：

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