单晶脆性材料纳米切削表面损伤形成演变机理及关键技术的研究

Along with the development of optical technology, the demands of the micro-structured optical components are increasing. Nanometric cutting is one of the most efficient methods for the industrial-scale production of micro-structured optical surfaces. The single crystal brittle optical materials, represented by GaAs, are widely used in various fields such as infrared and terahertz optics. However, the brittle fracture and anisotropy, as well as the surface damage difficult to predict and control during the nanometric cutting are the serious problems that need to be solved, which restrict the development of controllable nanometric cutting with high efficiency and low damage. In this project, the crystal structural deformation mechanism, the formation and propagation of crack during nanometric cutting of GaAs are studied. The effects from the external condition to the surface damage of GaAs are revealed, and the new nanometric cutting method is explored, which are all beneficial to the development of controllable nanometric cutting technology with high efficiency and low damage. The studies would also benefit the nanometric cutting of other single crystal brittle optics materials.

具有微结构特点的光学表面的需求日益增大，纳米切削是实现该类光学元件工业化生产的最有效的手段之一。以砷化镓为代表的单晶脆性材料在红外光学、太赫兹光学、太阳能以及LED发光等领域具有广泛的应用前景，但该类材料在纳米切削中面临着加工易脆裂、各向异性以及加工表面损伤难以预测和控制等多种问题，严重制约了高效率、低损伤的微结构光学元件制造技术的发展。本项目主要以砷化镓晶体为研究对象，建立其纳米切削表面从离散晶态结构变化到微观裂纹成核与扩展的演变理论，揭示外界辅助条件对其纳米切削表面晶体结构演变及裂纹损伤状态的影响规律，探索切削损伤可控的单晶脆性材料纳米切削新方法和新工艺，为高质量脆性晶体元件的高效纳米切削技术的发展提供必要的理论和实验基础。本项目的理论和工艺方法探索也有望为其他单晶脆性光学晶体元件的切削加工提供理论指导和技术支持。

单晶脆性材料在光学材料中占据着重要的地位，随着光学器件功能的不断丰富和提高，对光学元件的加工表面粗糙度、面形精度以及亚表面损伤程度等要求越来越高。而单晶脆性光学材料在纳米切削中面临着加工易脆裂、各向异性以及加工表面损伤难以预测和控制等多种问题。砷化镓（GaAs）是一种典型的单晶脆性材料，被广泛应用于红外光学、太赫兹光学、太阳能以及LED发光等领域。发展砷化镓晶体的纳米切削技术对提高砷化镓光学元件性能、扩展其光学应用领域具有重要的意义。. 本项目基于分子动力学仿真、超精密纳米加工以及纳米压痕实验、离子注入实验等方法，并结合以拉曼光谱、透射电镜等表征测试方法，对单晶砷化镓纳米切削机理以及表面、亚表面损伤形成机理展开了研究，并对其损伤控制方法进行了探索。建立了砷化镓原子与金刚石原子之间的势函数，在砷化镓内部原子间采用Tersoff-Brenner势函数，对砷化镓的纳米切削过程进行了分子动力学仿真分析：砷化镓晶体已加工亚表面产生了[110]和[112]方向的位错，位错密度随着加工速度的增大而减小，且位错生成具有很强的各向异性, 纳米切削亚表面出现了明显的相变。从原子级层面首次观察到了砷化镓纳米切削亚表面裂纹的形核与扩展，在裂纹附近出现了明显的位错聚集。采用不同负前角和切削速度开展了基于单点金刚石刀具的斜切实验，获得砷化镓脆塑转变深度约为25-35nm。随着刀具负前角增大，砷化镓晶体脆塑性转变区域残余应力增大，位错、非晶化等亚表面损伤增加，亚表面微裂纹区域呈多晶状态。砷化镓在纳米压痕载荷1.2mN处出现明显的屈服台阶，表明亚表面相变在砷化镓纳米加工不可忽略。开展了基于离子注入改性辅助脆性单晶材料加工的实验探索，使用硅离子注入单晶砷化镓实现表面改性，注入后表面产生了非晶层且脆塑转变深度提升至55nm，对之后的辅助纳米切削提供了理论基础。此外，开展了其他脆性单晶光学材料单晶锗和氧化镥的纳米切削机理的研究，对进一步丰富单晶脆性材料纳米切削机理的认知具有重要的理论指导意义。