在多层石墨烯润滑辅助下，单晶GaN纳米划痕过程中的原子尺度变形行为及损伤防护机制

《Applied Surface Science》：Atomic-scale deformation behavior and damage protection mechanisms in nano-scratching of single crystal GaN assisted by multilayer graphene lubrication

　　

郑东东|倪子峰|李建豪|卢学宇|吕文杰|陈国梅

江南大学机械工程学院，中国无锡214122

摘要

氮化镓（GaN）在光电子器件中的广泛应用提高了对其超精密加工的需求。然而，其固有的高硬度和脆性使得在加工过程中容易产生亚表面损伤。为了实现单晶GaN的高效且低损伤加工，采用了分子动力学（MD）模拟来系统研究在多层石墨烯润滑条件下的原子尺度变形和损伤保护机制。构建了覆盖0到4层石墨烯的GaN纳米划擦模型，并从表面形态、摩擦系数、温度场、应力分布和亚表面损伤等方面评估了石墨烯的润滑性能。结果表明，多层石墨烯显著降低了界面摩擦系数（最多降低了71.83%），有效抑制了磨削热量的积累（峰值温度降低了16.28%），并通过其独特的层间耦合和滑移机制显著均匀化了工件的内应力分布。更重要的是，多层石墨烯可以将严重的非晶化损伤转化为可控的结构相变，同时显著抑制位错的产生和扩展，从而将亚表面损伤厚度从4.84纳米减少到3.94纳米。本研究为单晶GaN的超精密加工提供了重要的理论基础。

引言

氮化镓（GaN）作为一种关键的第三代半导体材料，具有宽禁带、高导热性、高击穿电场强度和优异的化学稳定性等优异性能[1]，[2]。这些特性使其在航空航天、5G/6G通信以及国防和军事技术等领域具有广泛的应用前景[3]，[4]。然而，由于其高硬度、明显的脆性和强烈的各向异性[5]，单晶GaN被认为是一种难以加工的晶体材料[6]，在加工过程中容易产生裂纹、断裂和亚表面损伤[7]。因此，实现单晶GaN的高效且低损伤加工已成为半导体制造中的关键研究挑战[8]，[9]。

单晶GaN基材的主要加工技术包括磨削/研磨和化学机械抛光（CMP）[10]。其中，磨削[11]能够高效地加工脆性晶体基材并保持良好的表面完整性，通常作为CMP前的预处理步骤[12]。磨削技术已广泛应用于硬质和脆性半导体材料的加工[13]，[14]，[15]，[16]。例如，Li等人[17]使用1.6微米磨料的砂轮进行了单晶GaN的自旋转磨削实验，并通过10分钟的火花放电过程获得了超光滑的表面（表面粗糙度Sa = 1纳米），从而证明了“磨削即抛光”策略的可行性。为了优化磨削工艺以提高加工效率和表面质量，Paknejad等人[18]采用了金刚石工具辅助的碳化硅（SiC）激光磨削，利用超短脉冲激光照射来减少磨削力、温度和工具磨损，从而提高了磨削效率和表面质量。Hu等人[19]比较了不同晶体取向的单晶氧化镓（Ga₂O₃）晶圆的轴向超声辅助磨削性能。他们的研究表明，该技术显著减少了表面裂纹和边缘剥落，特别适合（010）晶面的高质量表面加工。尽管磨削技术不断进步，但半导体材料固有的高硬度和低断裂韧性仍然难以完全避免微裂纹、边缘剥落和亚表面位错等结构损伤[20]，[21]；此外，磨削过程中产生的局部高温可能会引发相变或残余拉应力的积累[22]，这可能在后续工艺中引入额外的失效风险。

为了减轻磨削过程中晶体的温度升高和应力集中，从而减少材料损伤，一种有效的方法是在加工过程中引入润滑剂。石墨烯纳米片由于其超高的机械强度、优异的导热性和弱的层间范德华相互作用，被认为是理想的候选材料[23]。通过改善表面特性、优化应力分布和抑制磨削热生成，石墨烯可以有效减轻加工过程中晶体的亚表面损伤[24]。Li等人[25]开发了一种含有氧化石墨烯（GO）的水基冷却液，并系统评估了其在砷化镓（GaAs）基材磨削中的润滑性能和磨削效果。结果表明，GO冷却液显著改善了润滑效果并提高了磨削表面的质量。Oliveira等人[26]在Inconel 718的磨削过程中向磨削液中添加了多层石墨烯纳米片，发现添加0.05%的石墨烯纳米片显著降低了表面粗糙度（Ra）并大幅降低了能耗。Shen等人[27]发现，三维石墨烯与二氧化硅（SiO₂）纳米添加剂结合使用，在低速和高载荷条件下有效降低了摩擦和磨损，分别减少了46.1%和22.4%。上述文献表明，石墨烯可以有效改善晶体材料的表面质量并减少加工过程中的材料损伤，使其成为单晶GaN润滑磨削的合适候选材料。然而，由于微观结构和高精度仪器的限制，这些实验研究尚未阐明石墨烯在磨削过程中的微观变形机制和润滑保护机制。因此，需要一种更直接的方法来观察原子尺度上的材料变形行为。

相比之下，基于计算机的数值模拟方法，如分子动力学（MD）模拟[28]，不仅能够精确观察原子尺度上的材料微观行为，还能够有效分析纳米尺度加工过程中的晶体结构变化和缺陷演变[29]。作为宏观磨削过程的简化模型，单颗粒纳米划擦模拟是研究磨削过程中材料变形和损伤机制的有效方法。例如，Li等人[30]将单颗粒MD模拟与纳米划擦实验相结合，探讨了石墨烯对多晶FeNiCrCoCu高熵合金摩擦性能的增强机制。Guo等人[31]利用MD模拟研究了表面纹理对单晶GaN纳米划擦过程中摩擦行为和亚表面损伤的影响。Zhao等人[32]使用MD模拟研究了单晶GaN的纳米磨削过程，并阐明了磨削参数对表面形态、亚表面损伤和机械行为的影响。Li等人[33]利用MD模拟研究了在GO润滑辅助下的GaN晶体磨削机制。他们确认，适当的GO浓度和合适的磨削参数可以显著减少磨削损伤并提高表面和亚表面质量。Tan等人[34]利用MD模拟在原子尺度上揭示了单层石墨烯涂层对砷化镓（GaAs）纳米划擦过程中摩擦、磨损和亚表面损伤的调控机制。然而，目前关于单晶GaN石墨烯润滑的纳米尺度研究仍然相对有限，现有研究主要集中在单层石墨烯的润滑加工上[35]，[36]。在实际生产中，石墨烯润滑剂主要以多层形式存在。由于层间范德华力和层间滑移行为的影响[37]，多层石墨烯和单层石墨烯润滑在损伤保护效果和作用机制上可能存在差异[39]。因此，有必要对不同层数的石墨烯润滑GaN的纳米划擦过程进行研究，并对其材料去除和损伤保护机制进行深入分析。

本研究选择了纤锌矿结构的GaN，因其结构稳定性，并对其表面沉积不同厚度（0-4层）石墨烯层的划擦过程进行了MD模拟。从多个维度评估了不同层石墨烯润滑GaN的划擦性能，包括表面形态、摩擦系数、温度、应力分布和亚表面损伤。此外，该工作揭示了石墨烯如何通过润滑减少摩擦、降低加工温度、保护基材，同时均匀应力分布并抑制位错扩展和非晶化。阐明了石墨烯层数对GaN材料去除和损伤保护影响的机制，为单晶GaN的低损伤和超精密加工提供了实际指导。

章节摘录

模拟方法

在本研究中，使用大规模原子/分子并行模拟器（LAMMPS）[40]构建了一个具有周期性边界的MD模型，模型包括单晶GaN、石墨烯层（Gr）和金刚石压头，如图1所示。考虑到界面机械相互作用、材料去除效率和润滑性能[41]，选择了四层石墨烯作为层数的上限，配置分别表示为M1、M2、M3和M4。

石墨烯的动态演变

石墨烯中C-C键的完整性对其机械和热性能至关重要[51]。图2展示了不同层数石墨烯划擦后的表面形态和损伤特征。一层到三层（M1、M2、M3）的石墨烯模型保持了较高的结构完整性；C-C键的断裂仅发生在特定区域（标记为I、II和III）。这种行为与Li等人的研究结果一致[30]。

结论

本研究利用MD模拟深入了解了单晶GaN纳米划擦过程中多层石墨烯润滑的原子尺度变形行为和损伤保护机制。结果表明，多层石墨烯通过四种协同机制提供了保护作用，包括摩擦降低、热量散发、应力均匀化和损伤调节。主要结论总结如下

作者贡献声明

郑东东：撰写——原始草案、方法论、数据管理、概念化。倪子峰：撰写——审稿与编辑、监督、资源获取、概念化。李建豪：监督、资源管理、正式分析、数据管理。卢学宇：撰写——审稿与编辑、验证、监督。吕文杰：撰写——审稿与编辑、方法论、数据管理。陈国梅：验证、监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：52375184和52205169）的支持。