納米加工技術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下構成的分子體系中抽取樣本，進行計算體系構型積分，再以構型積分的運算結果為基礎完成計算體系的熱力學量與其他宏觀的性質，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容及原理，并對其在納米加工技術中的運用加以分析，以期為各位同行提供參考。

關鍵詞：納米加工技術；分子動力學；應用；分析

分子動力學是一種常見的對物質分子或原子進行計算模擬的方法，通過研究，可以實現材料的設計和性能的預測。而納米技術是利用單個的原子和分子來制造出新物質的新技術，它也是現代科學技術的集成者，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中去，對推動納米技術的發展有著重要意義。

一、分子動力學與納米加工技術的含義及現狀

（一）分子動力學的含義及現狀

分子動力學是集合物理、化學、數學的一門綜合技術，其實質是一種計算方式，是對固體、液體、氣體的分子運動的過程中所產生的現象及聯系其本質的方法論，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，促進機械加工技術的進步。因分子動力學具備有效、準確的優勢，所以在實際生活中，人們經常將分子動力學的方法與統計模擬方法相聯合，廣泛應用于物理、生物、醫學、化學，材料等各個領域。

（二）納米加工技術的含義及現狀

納米加工技術主要是利用單個分子、原子制造出新物質的技術，納米加工的目標是要做出納米級的物質加工制造品，納米級又細分為納米級的精度加工和納米級的表層加工，其加工的內容主要是分子和原子的去除、重組和搬遷，以實現機械、半導體、電子、傳感器策略技術、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、納米壓印技術、準分子激光直寫技術、聚焦離子束技術等多種新興技術。納米技術的應用符合廣闊的市場需求，也是加強國防戰略的重要內容。納米技術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的更加重視與資金方面的大力投入，我國在納米級技術的研究方面也取得了顯著的進步。例如在電子器件制造領域，科學家們發現了單電子室溫隧穿效應、單電子單原子隧道結等，創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的集成傳感器、馬達和麥克風等系列產品，并且利用微納米的加工新技術方法建立起新型的微系統工程。在其他微型技術領域也有著豐碩成績，例如，復旦大學制備出高速度、高密度的存貯器所用的雙穩態薄膜；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，它的存儲密度是現用的光盤信息存儲的近百萬倍。

二、將分子動力學內容運用到納米加工技術的意義及內容

（一）分子動力學在納米加工技術中的意義

納米加工技術的目標是為了獲取品質和精度更高的物質，將分子動力學運用到納米加工技術中來具有兩方面的意義。一方面是滿足了現今機械制造的要求，納米加工是一項新式的制造技術，它能在0.1-100納米的尺度范圍內，對機械材料物質的原子與分子進行加工，并且創制出具有特定性能的物質，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，區域非常的狹小，整個切削的過程中是不能依靠原先傳統技術得以實現的，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對切削觀察的不準確性而導致所得的結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，使之得出的結論更具有參考價值。另一方面，這種運用方法也提升了我國新物質技術的進步，舉例來說，要想突破目前切削的極限，追求更高、更穩定的納米加工技術，就迫使納米加工技術必須吸收新的內容以豐富自己手段，根據分子動力學為納米加工技術鋪墊的理論基礎獲得出實踐經驗，其經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的研究成果更上一層樓。

（二）將分子動力學內容運用到納米加工技術的內容

將分子動力學與納米加工技術結合起來，其內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，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，原子間勢函數的求導，勢函數的構造計算涉及較多數據，經驗勢函數的計算方法是在選擇勢函數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經驗和方便擬合的程度中進行求導，使經驗方法中的勢函數更加簡單；

第三，分子動力學模擬中最為核心的內容就是得出所有粒子運動的規律，粒子運動所涉及的微分方程組也是分子動力學的構成要求，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中的原理應用及展望

（一）分子動力學在納米加工技術中的原理應用

將分子動力學運用到納米加工技術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個分子或原子組成的整體粒子系統，通過量子力學中勢能函數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，然后根據物理學中的原理對其宏觀動態和靜態的特性進行分析。

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形式，上面已經做出介紹，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容在其邊界上應該滿足的條件，周期邊界條件的內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，因模擬中的粒子數量少于實際數量而造成誤差，而粒子數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范化的模擬中，就必須添加周期邊界條件。

（二）納米加工技術中分子動力學應用的發展展望

近年來，隨著科學技術的日趨精進，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生的切削現象，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，通過改變勢能函數的參數值來改變切削的結果；二是關注切削溫度對于切削實驗的影響，要使模擬實驗得出的結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化不是人為來控制的，而是當滿足一定條件后分子自行轉變，受到錯位運動的影響，切削熱以晶格振動形式表現出來。據此，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中去的發展展望方向，并以此提高發展能力，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，提升技術水平。在以往的計算中經常要對大量的分子運動進行研究，復雜的計算內容致使所得出結果往往與實際結果不一致，而通過提高模擬速度的方式來開展更大規模的方法研究，利用擴大模擬系統中粒子數目來減小誤差從而得到更為精確的模擬結果；

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容來修正傳統勢函數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容等。

四、結語

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、勢函數不足、計算規模不大等一系列缺陷，還需要擴大模擬的規模和尺度，找尋最為合適的勢函數等，不斷加強探索以促進微觀科學研究的整體發展。

參考文獻：

[1] 劉援農.分子動力學在納米機械加工技術中的應用[J].科技與企業，2013，18：308.

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