纳米加工技术中分子动力学的应用

邱旭民

摘 要：分子动力学通过在不同的状态下构成的分子体系中抽取样本，进行计算体系构型积分，再以构型积分的运算结果为基础完成计算体系的热力学量与其他宏观的性质，分子动力学的应用是较为广泛的。本文通过分析分子动力学的内容及原理，并对其在纳米加工技术中的运用加以分析，以期为各位同行提供参考。

关键词：纳米加工技术；分子动力学；应用；分析

分子動力学是一种常见的对物质分子或原子进行计算模拟的方法，通过研究，可以实现材料的设计和性能的预测。而纳米技术是利用单个的原子和分子来制造出新物质的新技术，它也是现代科学技术的集成者，包括多个新型科学分支，将分子动力学运用到纳米加工技术中去，对推动纳米技术的发展有着重要意义。

一、分子动力学与纳米加工技术的含义及现状

（一）分子动力学的含义及现状

分子动力学是集合物理、化学、数学的一门综合技术，其实质是一种计算方式，是对固体、液体、气体的分子运动的过程中所产生的现象及联系其本质的方法论，通过这种模拟计算的方式探究出新的分子运动规律，再将这些研究成果运用到机械加工中，促进机械加工技术的进步。因分子动力学具备有效、准确的优势，所以在实际生活中，人们经常将分子动力学的方法与统计模拟方法相联合，广泛应用于物理、生物、医学、化学，材料等各个领域。

（二）纳米加工技术的含义及现状

纳米加工技术主要是利用单个分子、原子制造出新物质的技术，纳米加工的目标是要做出纳米级的物质加工制造品，纳米级又细分为纳米级的精度加工和纳米级的表层加工，其加工的内容主要是分子和原子的去除、重组和搬迁，以实现机械、半导体、电子、传感器策略技术、光学和材料科学的进步。目前的纳米加工主要包括化学合成技术、纳米压印技术、准分子激光直写技术、聚焦离子束技术等多种新兴技术。纳米技术的应用符合广阔的市场需求，也是加强国防战略的重要内容。纳米技术在国防布局中的应用也十分广泛，例如：惯导仪表的精密陀螺、大规模的电路集成硅片、激光型核聚变反射镜、计算机磁盘、复印机磁鼓以及天体望远镜的反射镜与多面棱镜等，都需要运用纳米级加工方式来达成。

随着国家对新型科学技术的更加重视与资金方面的大力投入，我国在纳米级技术的研究方面也取得了显著的进步。例如在电子器件制造领域，科学家们发现了单电子室温隧穿效应、单电子单原子隧道结等，创造出性能较高的光电探测器和夹层型的超微量子机械。清华大學研究人员制作出100nm级MOS微型器件和大量的具有硅微性质的集成传感器、马达和麦克风等系列产品，并且利用微纳米的加工新技术方法建立起新型的微系统工程。在其他微型技术领域也有着丰硕成绩，例如，复旦大学制备出高速度、高密度的存贮器所用的双稳态薄膜；中国科学院研制了阱红外量子探测器（13～15mm）；中科院的北京物理真空实验室和科学院化学所以及北京大学等相关单位的研究人员在有机单体薄膜NBPDA上确立了点阵，它的存储密度是现用的光盘信息存储的近百万倍。

二、将分子动力学内容运用到纳米加工技术的意义及内容

（一）分子动力学在纳米加工技术中的意义

纳米加工技术的目标是为了获取品质和精度更高的物质，将分子动力学运用到纳米加工技术中来具有两方面的意义。一方面是满足了现今机械制造的要求，纳米加工是一项新式的制造技术，它能在0.1-100纳米的尺度范围内，对机械材料物质的原子与分子进行加工，并且创制出具有特定性能的物质，纳米的切削加工也只在包含几个到几百个的原子层中进行，区域非常的狭小，整个切削的过程中是不能依靠原先传统技术得以实现的，只能采取分子动力学的方法加以运用。例如，在纳米加工的过程中因为实验计算方面或对切削观察的不准确性而导致所得的结论或多或少存在一些误差。而将分子动力学的理论加以运用后能够使用模拟实验从而避免误区，使之得出的结论更具有参考价值。另一方面，这种运用方法也提升了我国新物质技术的进步，举例来说，要想突破目前切削的极限，追求更高、更稳定的纳米加工技术，就迫使纳米加工技术必须吸收新的内容以丰富自己手段，根据分子动力学为纳米加工技术铺垫的理论基础获得出实践经验，其经验理论又反过来推动了我国科技水平的提高。这种加工技术的应用能够为超精密的机械加工工艺带来一场革命，并且能够极大程度上推动纳米加工技术的研究成果更上一层楼。

（二）将分子动力学内容运用到纳米加工技术的内容

将分子动力学与纳米加工技术结合起来，其内涵主要涉及以下几个重要方面：

第一，纳米切削过程的完成，切削过程是纳米加工不可或缺的重要一环，将研究材料进行纳米切削以此达到制成品高性能、精密性的要求，纳米加工方式还包括磨料加工、特种加工以及复合加工等方式。此外，纳米加工也可以分为机械加工、能量束加工、化学腐蚀、复合型加工等类别，切削加工作为机械加工的重要方面，始终具有重要地位；

第二，原子间势函数的求导，势函数的构造计算涉及较多数据，经验势函数的计算方法是在选择势函数形式不要求其理论基础十分确切的基础上开展的，而在自由选择的方式的总结经验和方便拟合的程度中进行求导，使经验方法中的势函数更加简单；

第三，分子动力学模拟中最为核心的内容就是得出所有粒子运动的规律，粒子运动所涉及的微分方程组也是分子动力学的构成要求，可以利用有限差分法进行解答。

三、分子动力学在纳米加工技术中的原理应用及展望

（一）分子动力学在纳米加工技术中的原理应用

将分子动力学运用到纳米加工技术中主要分为三个方面：

第一，模拟过程中的原理运用，分子动力学将所研究的材料看做是由无数个分子或原子组成的整体粒子系统，通过量子力学中势能函数的应用而求导出各个粒子之间的作用力，再利用得到的粒子运动状况，然后根据物理学中的原理对其宏观动态和静态的特性进行分析。

第二，计算分子间的作用力，想要准确的计算出分子间的作用力就要用到量子力学的知识，通过大量的演算来获得排列在架构中的任何原子的总能量。但这个运算过程是异常繁杂的，实践起来非常困难。因此，相关研究人员对其计算做出了简化，制定出了多体势和对偶势的三种最为典型的势函数形式，上面已经做出介绍，在此不再赘述。

第三，周期边界条件的运用，边界条件是指运算内容在其边界上应该满足的条件，周期边界条件的内容是把所以的粒子都放置在一个特定的容积中，通过限定边界使之减轻了工作难度，在以往的试验中，由于分子动力学容易在模拟中，因模拟中的粒子数量少于实际数量而造成误差，而粒子数量的差异又会引起模拟实验中的尺寸效应。所以，为了将分子动力学纳入规范化的模拟中，就必须添加周期边界条件。

（二）纳米加工技术中分子动力学应用的发展展望

近年来，随着科学技术的日趋精进，分子动力学被应用到纳米机械加工的过程中，也取得了巨大成就和长足的进步。以国外的分子动力学研究切削机理为例，日本与美国学者通过对分子动力学运用，模拟其对单晶体的垂直切削过程，建立起二维、三维的原子模型概貌，在模拟切削的过程中分析产生的切削现象，切削模拟实验中注意到了两方面的观察，一是注意切削力在模拟过程中的影响，通过改变势能函数的参数值来改变切削的结果；二是关注切削温度对于切削实验的影响，要使模拟实验得出的结果更加精确就不能忽视“温度”这一重要因素，分子由势能到动能的转化不是人为来控制的，而是当满足一定条件后分子自行转变，受到错位运动的影响，切削热以晶格振动形式表现出来。据此，切削温度可以在模拟中通过标度速度的方式來进行研究。

另外，在此项研究中，笔者也提出几点将分子动力学运用在纳米加工技术中去的发展展望方向，并以此提高发展能力，主要分为以下三个方面：

其一，改进运算方法，提高模拟实验的速度，提升技术水平。在以往的计算中经常要对大量的分子运动进行研究，复杂的计算内容致使所得出结果往往与实际结果不一致，而通过提高模拟速度的方式来开展更大规模的方法研究，利用扩大模拟系统中粒子数目来减小误差从而得到更为精确的模拟结果；

其二，加强对分子动力学模拟使用，并拓宽模拟实验的使用范围，研究出更准确的加工方式，并对多晶体加工模拟进行实验探索，延伸分子动力学的运用界限，加强对抛光、研磨等加工机理精密的研究摸索出更具有进步性、科学性的加工方法；

其三，分子动力学的发展研究是具有广阔前景的，建立起金属原子互相作用的模型，并更加深入理论研究，以密度泛函的理论内容来修正传统势函数的不合理之处并对密度泛函理论进行改进，加强纳米加工里的机理问题研究以丰富原子级加工内容等。

四、结语

分子动力学以模拟分子、原子运动的角度来带给人们探究微观世界的新方式，也为促进加工技术更新奠定基础。但目前的分子动力学研究还处于不完善的阶段，还存在模拟耗时长、勢函数不足、计算规模不大等一系列缺陷，还需要扩大模拟的规模和尺度，找寻最为合适的势函数等，不断加强探索以促进微观科学研究的整体发展。

参考文献：

[1] 刘援农.分子动力学在纳米机械加工技术中的应用[J].科技与企业，2013，18：308.

[2] 汪卫华.非晶态物质的本质和特性[J].物理学进展，2013，05：177-351.