単結晶銅の単一原子層除去加工：工具刃先半径の影響

概要

機械切削の究極の目的は、最小チップ厚を単一原子層まで減らすことです。本研究では、分子動力学解析のシリーズにより、単結晶銅における切削ベースの単一原子層除去メカニズムを調査しました。研究結果によると、切削深さが原子スケールまで減少すると、丸みを帯びた刃先工具を用いた機械切削により最小チップ厚を単一原子層まで減らすことができます。切削ベースの単一原子層除去時の材料除去挙動は、せん断応力駆動転位運動によるチップ形成、加工表面での弾性変形、原子サイジング効果、切削刃先半径効果の4つの特徴を示します。この理解に基づき、ナノ切削および従来切削とは大きく異なる、切削ベース単一原子層除去プロセスにおける材料除去挙動を研究する新しい切削モデルを提案します。これらの成果は、原子および近原子スケール製造技術の研究開発への理論的支援を提供します。

はじめに

機械切削は、最も重要な除去加工方法の一つとして、高表面仕上げ品質を持つ部品製造に適用されてきました[1,2]。ナノスケールでの材料除去メカニズムを明確化し、基本的なナノ切削理論を確立・充実させるため、多数の理論的・実験的研究が行われてきました[3-6]。研究成果は、複雑な形状とナノメートル表面仕上げ品質を要求する高性能部品の製造を可能にし、学術と産業におけるナノメートル切削の応用に大きく貢献しています[7,8]。しかし、原子および近原子スケール（ACS）での切削における材料除去メカニズムに関する報告はまだなく、次世代製造技術である原子・近原子スケール製造（ACSM）、すなわち製造III[9]の開発進展を深刻に制限しています。さらに、原子スケールデバイスの漸進的発展も、ACSMを達成するための様々な加工プロセスの需要を強調しています[10]。

従来のマクロスケール切削では、切削深さが切削刃先半径より著しく大きく、材料除去は材料せん断駆動チップ形成によって実現されます[11-13]。マイクロ/ナノ切削では、切削深さが工具刃先半径と同等またはそれ以下になるにつれ、押出しによるチップ形成が切削深さのナノスケールへの減少とともに徐々に支配的になり、切削刃先半径効果の大きな影響を受けます[14-19]。ACS切削では、切削深さがさらに近原子スケール、さらには原子スケールまで減少し、これは切削刃先半径よりはるかに小さいため、刃先半径効果が材料除去挙動に必然的に影響を与えます。

さらに、従来切削とマイクロ/ナノ切削とは異なり、ACS切削では切削深さが切削刃先半径より著しく小さいだけでなく、ワークピース原子の半径と同等またはそれ以下です。実用的な材料除去挙動は、切削深さとワークピース原子半径の比率によって変化し、これは「原子サイジング効果」と呼ばれる新しいサイジング効果として認識されています[20]。したがって、ACS切削では切削刃先半径効果と原子サイジング効果の両方を考慮すべきです。しかし、ACS切削技術の研究において、この極めて重要な問題についての報告はありません。

これらの理由により、本研究では分子動力学（MD）モデリングを用いて、原子サイジング効果と刃先半径効果が切削ベース単一原子層除去メカニズムに及ぼす影響を調査します。

本論文は以下のセクションで構成されます。第2節では、モデリングとプロトコル、適切なポテンシャル関数を含む方法論を紹介します。第3節では、解析結果と関連する議論を示します。第4節では、切削刃先効果と原子サイジング効果の複合的影響下での切削ベース単一原子層除去メカニズムについて詳細に議論します。研究成果は第5節で結論付けます。

方法論

シミュレーションモデルとプロトコル

切削深さが原子または近原子スケールまで減少すると、実際に材料除去プロセスを経験的に観察することは確かに困難です。本研究では、MDシミュレーションのシリーズを実施し、切削ベース単一原子層除去メカニズムを分析し、ワークピース原子サイジング効果と切削刃先半径効果に重点を置きました。

図1はダイヤモンド-銅切削モデルの原子配置スナップショットを示し、単結晶銅ワークピースとダイヤモンド切削工具で構成されます。シミュレーションは単結晶銅の（111）面で実施します。ワークピースのx-[1 -1 0]、y-[1 1 -2]、z-[1 1 1]方向の寸法はそれぞれ27、10、5 nmです。MDシミュレーション中、ワークピース原子は境界層原子、恒温層原子、ニュートン層原子にそれぞれ分割されます（図1参照）。ワークピース底部の2層、すなわち境界層はMDシミュレーション全体で固定され、切削誘起ワークピース位置変位を排除します。境界層に隣接する3原子層は恒温層原子です。恒温層の温度は速度再スケーリング法で298 Kに保たれます。残りのワークピース原子はニュートン層に属します。現在のシミュレーションでは、切削工具のすくい角と逃げ角はそれぞれ0°と12°です。詳細なモデルパラメータを表1にまとめます。ACS切削はより低い切削速度で実施することが好ましいため、切削速度と計算時間コストの影響を考慮し、[-1 1 0]方向に25 m/sの切削速度を使用しました。

ポテンシャル関数

銅-ダイヤモンド切削システムは主に銅原子とダイヤモンド原子の2種類の原子を含みます。MDシミュレーションでは、シミュレーション結果の計算精度を確保するために原子間相互作用を正確に記述すべきです。したがって、適切なポテンシャル関数の選択は極めて重要です。本研究では、銅原子間の原子間相互作用を記述するために頻繁に使用される埋め込み原子法（EAM）ポテンシャル関数を採用しました[21]。モース関数を銅原子とダイヤモンド原子間の相互作用（Cu-C）計算に適用し、主にrに依存します。

$$ E = D_0 \left[ e^{-2\alpha(r-r_0)} - 2e^{\alpha(r-r_0)} \right] $$ (1)

ここで、EとD_0は対ポテンシャルエネルギーと凝集エネルギー、αは定数、r_0は平衡距離、rは2原子間距離です。Cu-C相互作用では、D_0=0.087 eV、r_0=0.205 nm[22]、α=51.40 nm⁻¹です。切削工具内の炭素原子間相互作用（C-C）については、ダイヤモンド原子間の著しく強い結合強度は銅原子より無視できます。切削工具は解析中、剛体と見なされます。

切削深さの定義

切削深さ（a）は、ワークピース表面の最上点と切削工具の最下点の間の距離と定義します。ワークピース原子のサイズは通常原子半径（r_w）で表されます。図2に示すように、最上部の第1原子層をワークピース表面から除去することを対象とする場合、理論的に使用できる最大切削深さは以下のように求められます：

$$ a_{max} = r_w + 0.5 \times d_{layer} $$ (2)

ここで、d_layerはワークピース表面の最上部隣接原子層間の間隔距離を表します。本研究では全ての解析が単結晶銅ワークピースの（111）面に基づくため、式(2)のr_wは銅原子半径、すなわち1.28 Åを指します。d_layerは2.087 Åです。aがa_maxより大きい場合、切削工具の最下点が第2原子層と直接接触し、材料変形や除去を誘起する可能性があります。したがって、本研究ではa_max（2.32 Å）より小さい切削深さを使用します。

発見に基づくと、切削ベース単一原子層除去の基本メカニズムは、aとRの比、およびaとr_wの比の様々な組み合わせで大きく変化します。

結果と考察

MD結果によると、原子サイジング効果と切削刃先半径効果の両方が切削ベース単一原子層除去プロセスに大きな影響を与えました。以下のセクションでは、原子サイジング効果と工具刃先半径効果を明確に記述するために、切削深さ（a）とワークピース原子半径（r_w）の比a/r_w、および切削深さ（a）と刃先半径（R）の比a/Rを用います。解析結果は、チップ形成、表面生成、サブサーフェス変形、原子変位挙動の観点から体系的に研究されています。これらの発見は、切削ベース単一原子層除去メカニズムの典型的特徴への詳細な洞察を提供します。

チップ形成

解析結果によると、ワークピース原子サイジング効果[20]により、切削深さ（a）とワークピース原子半径（r_w）の比、すなわち臨界値1（C₁）と臨界値2（C₂）の2つの臨界値が存在し、これらがチップ形成挙動を異なるケースに分けます。

1. a. a/r_wの比が臨界値1（C₁）より小さい場合

図3は、切削深さ約1.1 Åでの様々な工具刃先半径でのMDシミュレーション結果を示します。ここで、切削深さ（a）とワークピース原子半径（r_w）の比は0.781です。

刃先半径の増加にかかわらず、各Cu（111）加工表面で弾性変形が発生します。切削プロセス全体でチップ形成と材料除去は起こりません。研究によると、Cu（111）表面での材料除去を可能にするには切削深さが約1.1 Åより大きくなければなりません。

1. b. a/r_wの比がC₁より大きいが、臨界値2（C₂）より小さい場合

切削深さが約1.1 Åより大きい、すなわちa/r_wの比が0.781より大きい場合、ワークピース表面で材料除去が起こります。図4に示すように、ワークピース表面から一部の材料が除去されますが、最上部第1層内のより多くの原子が新しい加工表面に残り、表面欠陥を形成します。さらに、刃先半径が7.5 nmに増加すると、a/Rの比は0.019になります。このような場合、第1原子層の一部の原子が第2層、さらには第3原子層に押し込まれます（図4e参照）。これは切削工具の押出し作用に起因するものです。また、連続的な材料除去は得られないものの、工具刃先半径効果が材料除去プロセスに影響を及ぼし始めることも示しています。

1. c. a/r_wの比がC₂より大きい場合

図5は切削深さ約2 Åでのチップ形成を示します。ここでa/r_w = 2 Å/1.28 Å = 1.563です。図3と比較すると、切削深さを2 Åに増加させると、対象原子層内の原子がチップ形成により連続的かつ安定的にワークピース表面から除去できることがわかります。これは切削深さが単結晶銅の最小チップ厚より大きくなったことを示し、約2 Åの切削深さで最小チップ厚が単一原子層まで減らせることを意味します。切削後、第1原子層内の材料がワークピース表面から完全に除去されました。

しかし、図5からもわかるように、a/Rの比の増加により、第1原子層内の原子は明らかに異なる除去プロセスを経験します。特に切削誘起加工表面変形において顕著です。切削深さ2 Åで鋭利な切削工具を使用する場合（a/R=5.70）、加工表面にはわずかな変形のみが起こります。刃先半径が3 nmに増加すると（a/R=0.134）、弾性変形の振幅が明確に増加します。

工具刃先半径が4 nmになると（図5d）、対象第1原子層内の多くの原子が第2原子層に押し込まれ、新しい加工表面を形成します。約7.5 nmの刃先半径では、第1層の一部の原子が第3原子層まで拡散します。刃先半径が約10 nmに達すると、明確な弾塑性変形が発生し、これは次の3.3節でも判定できます。

したがって、切削ベース単一原子層除去はa/r_wの比だけでなくa/Rの比にも依存します。機械切削による単一原子層除去、すなわち原子スケールでの材料除去を達成するには、原子サイジング効果と切削刃先半径効果の両方を考慮すべきであり、これはマイクロ/ナノ切削および従来マクロ切削とは大きく異なります。

表面生成

切削ベース原子層除去の目的の一つは、理想的な結晶構造を持つ欠陥のない加工表面を得ることです。ACS切削におけるワークピース原子サイジング効果の表面生成への影響は最近研究されました[20]。本研究では、ACS切削における切削刃先半径効果の表面生成への影響を明確に示すため、新しい加工表面の表面形状と表面組成を以下のように研究しました。

表面形状

図6は異なる刃先半径での加工Cu（111）表面の表面形状を示します。ここでは切削深さ2 Åを採用しました。図6a、bに示すように、工具刃先半径が3 nm未満の場合、理想的な結晶構造を持つCu（111）表面が得られます。ワークピース表面左側の欠陥は、工具の切削退出時の変形によるものです。定常切削段階では、加工表面に表面欠陥は形成されません。

しかし、工具刃先半径が増加すると、加工表面に多くの欠陥が徐々に形成されます。刃先半径4 nmでは、加工表面に多数の窪み状欠陥が形成されます（図6d参照）。さらに、工具刃先半径が5 nm以上になると、大量の表面欠陥が形成され、表面品質が深刻に悪化します。このような場合、1層以上の原子がワークピース表面から除去されています。したがって、切削深さ2 Åでは、工具刃先半径が3 nm未満のとき単一原子層除去がCu（111）表面で達成可能と判断できます。切削刃先半径効果により、切削ベース単一原子層除去による欠陥フリー加工表面を達成するには、切削深さ（a）と刃先半径（R）の比a/Rが一定の閾値より大きくなければなりません。ここで、a/Rの比の臨界値は[0.05, 0.067]です。

表面組成

図7は切削深さ2 Åでの様々な工具刃先半径における加工表面の組成を示します。緑と青の原子はそれぞれ第1層と第2層からの原子、赤い原子は第2原子層より下の原子です。図7aに示すように、鋭利な切削工具を使用する場合（a/R=2.85）、加工表面は第1層の原子のみで構成されます。この結果は、対象第1原子層がワークピースから完全に除去されたことを示します。さらに、これは材料除去が層ごとの形で行われ、除去される材料がワークピース表面の対象第1原子層のみから来ることを意味します。

しかし、工具刃先半径が2 nmと3 nmの場合（図7b、c）、加工表面は2原子層（青と緑）で構成されます。これは単一原子層除去が達成されたものの、表面生成プロセスが最小2原子層に関与することを示します。さらに、工具刃先半径が4 nmより大きくなると、加工表面に第1原子層の原子が大量に存在し、第1層の多くの原子が押し込まれて新しい表面を生成したことを示します。

したがって、切削刃先半径の増加に伴い、表面生成は大きく変化しました。関与する2種類の表面生成メカニズムを以下にまとめます：

1. 層ごと除去：対象第1原子層が完全に除去され新しい加工表面が生成される。切削プロセス中、第1層内の原子のみが除去される。
2. 多層除去：単一原子層除去が実現されたものの、対象原子層内の原子が2つの典型的な変位挙動を示す。一部の原子はせん断応力駆動転位運動によりチップを形成し、他は切削工具の作用で加工表面に押し込まれる。材料除去プロセスは最小2原子層に関与する。

サブサーフェス変形メカニズム

ナノ切削では、切削プロセス中に加工表面で弾性変形と塑性変形が起こります。切削工具がワークピース表面を通過すると、弾性部分は元に戻り、塑性変形部分は永続的な変形をもたらします[1,2]。切削深さが原子スケールまで減少し、単一原子層除去に向けた切削では、加工表面では弾性変形のみが起こると推定されます。これを検証するため、切削中と切削後のワークピースサブサーフェス変形状態を分析しました。図8は様々な工具刃先半径でのワークピースサブサーフェスの欠陥構造を示します。ここでは原子を中心対称パラメータ（CSP）に基づいて着色し、CSPが3未満の原子（完全FCC構造を表す）は省略しています。

切削刃先半径が4 nm未満の場合、加工表面にサブサーフェス欠陥は形成されません。切削では弾性変形のみが起こります。

図8に示すように、切削刃先半径が4 nm以上になるとサブサーフェス欠陥が初期化されます。さらに、切削刃先半径の増加に伴い、サブサーフェス欠陥の数が著しく増加します。刃先半径が約10 nmに達すると、1つの転位ループが形成され、切削後も消滅しません（図9e参照）。これは加工表面で塑性変形が起こっていることを明確に示しています。

工具がワークピース表面を通過した後、弾性変形部分は元に戻り、サブサーフェス欠陥の一部が消滅します。図9a-cに示すように、最終的に工具刃先半径が2 nmまたは3 nmの場合、サブサーフェス欠陥は存在しません。

塑性変形部分については、永続的な変形をもたらします。図9に示すように、工具刃先半径7.5 nmでは少数のサブサーフェス欠陥が残ります。工具刃先半径10 nmでは、転位ループとスタッキングフォールトが最終的にワークピースサブサーフェスに存在します。

以上の分析から、切削ベース単一原子層除去を可能にするには、塑性変形を避け、加工表面では弾性変形のみを許容すべきと推測できます。これは切削ベース単一原子層除去プロセスの特徴的特徴の一つと見なされます。

原子変位挙動

MD軌道ファイルによると、転位運動が切削ベース単一原子層除去プロセスを支配しています。図10は異なる工具刃先半径を用いたシミュレーション結果を示します。刃先半径2 nmでは、切削工具の作用下で第1原子層のみが切削方向に滑ってチップを形成し、他の層は固定されたままです。これは1つのエッジ転位の断面と見なせます。

工具刃先半径が増加すると、第1原子層内の一部材料が加工表面に押し込まれ、第1層より下の原子層の滑りを誘発します。さらに、工具刃先半径の増加に伴い、材料滑りプロセスを経験する原子層の数が増加傾向にあります。刃先半径4 nmでは、第1原子層に加えて第2原子層も切削方向に材料滑りを行います（図10参照）。刃先半径7.5 nmでは、切削工具の前進に伴いワークピース表面の最上部3原子層が切削方向に滑ります。さらに刃先半径が10 nmに増加すると、大量の材料が押し込まれて新しい加工表面を形成し、ワークピース表面で塑性変形が発生します（図10e参照）。これは図9でも判定できます。

図11は対象原子層の切削方向への滑りプロセスを示します。滑りゾーンの面積は切削工具の前進に伴い継続的に拡大します。切削距離17.5 nmで滑りゾーンが最大値に達します。その後、滑りゾーン内の材料が継続的にチップ形成され、チップ体積も増加します。

全体として、3.3節と3.4節の分析によると、工具刃先半径の増加に伴いサブサーフェス変形メカニズムと原子変位挙動の両方が大きく変化しました。異なる工具刃先半径では、異なる数の原子層が切削方向に滑り、加工表面で異なる変形体制が生じます（表2にまとめる）。さらに、切削ベース単一原子層除去プロセスでは、チップ形成がせん断応力駆動転位運動によって支配され、ナノ切削での押出し支配チップ形成や従来切削でのせん断支配チップ形成とは大きく異なります。これも切削ベース単一原子層除去の特徴的特徴の一つと見なせます。

切削力

刃先半径効果の影響

図12は切削深さ2 Åでの平均切削力への切削刃先半径効果を示します。ここでは切削力の接線成分と法線成分、すなわちF_tとF_nを比較します。図示のように、鋭利な切削工具ではa/R=2.85で、F_t=16.4 nNはF_n=23.7 nNより明確に小さいです。工具刃先半径が増加すると、F_tとF_nの両方が増加します。しかし、F_nはF_tよりはるかに大きな増加振幅を示します。これは工具刃先半径が増加すると、法線切削力がACS切削プロセスでの材料除去プロセスにより大きな影響を与えることを明確に示しています。しかし、工具刃先半径が約3 nmより大きくなると単一原子層除去が達成できません。したがって、より大きな法線切削力は切削ベース単一原子層除去を可能にするのに役立たず、より低い法線切削力を採用すべきです。

法線切削力は加工表面での弾性および/または塑性変形を可能にする圧縮応力を提供し、接線切削力はチップ形成を可能にするせん断応力を提供します。したがって、切削ベース単一原子層除去でのチップ形成は主に接線切削力によって駆動されるべきと推測できます。図12bからも、F_tが3種類の変化を示し、これがさらに異なる表面形状（図6参照）をもたらすことがわかります：

• 工具刃先半径が約3 nm未満、すなわちa/R=0.067の場合、F_tは刃先半径増加に伴いほぼ一定で、常に25 nN未満です。このケースではワークピース表面から1原子層のみ除去されます。
• 工具刃先半径が3 nmと5 nmの場合、a/Rはそれぞれ0.04と0.067で、F_tは約38.5 nNまで明確に増加します。結果としてワークピース表面から1原子層以上が除去されますが、少数の表面欠陥が形成されます。
• 5 nmより大きな刃先半径の場合、F_tも徐々に定数に収束します。このケースでは1原子層以上が除去されますが、ワークピース表面とサブサーフェスに大量の表面欠陥が形成されます。

非常に低い接線切削力が、2 nmのような合理的な切削刃先半径で切削ベース単一原子層除去を可能にすることを結論付けられます。逆に、より大きな接線切削力でも単一原子層除去は実現できません。

原子サイジング効果の影響

図13は刃先半径2 nmでの切削深さに対する切削力のプロットをさらに示します。刃先半径2 nmでは、切削深さの増加に伴い法線切削力と接線切削力の両方が3段階の変化を示します。切削深さ約1.1 Åと1.6 Åで明確な変化があります。対応する切削深さ（a）とワークピース原子半径（r_w）の比は前述のa/r_wの2つの臨界値、C₁とC₂である0.055と0.080です（3.1節で言及）。

切削深さが1.1 Åより小さい、すなわちa/r_wが0.055未満の場合、F_tは常に0 nN、F_nは約32 nNまで直線的に増加します。しかし、切削力はワークピース表面での塑性材料変形と除去を可能にできません。結果としてワークピース表面では弾性変形のみが起こります（図3参照）。

切削深さが1.1 Åより大きく1.6 Åより小さい、すなわちa/r_wが0.055より大きく0.080より小さい場合、F_tは0 nNから約25 nNまで大幅に増加し、F_nはさらに約58 nNまで増加します。切削力はワークピース表面での材料除去を可能にするのに十分大きくなります。切削深さ1.4 Åではチップ形成と材料除去が起こります。しかし、安定した連続的な材料除去は実現できず、加工表面に多くの欠陥が形成されます（図4参照）。

切削深さが1.6 Åより大きい場合、F_tとF_nの両方がワークピース表面での連続的な材料除去を可能にするのに十分大きくなります。結果としてチップがワークピース表面で安定して形成され、対象原子層がチップ形成を通じて連続的に除去され、新しい加工表面が形成されます（図5b、図6b参照）。

全体として、切削刃先半径効果と原子サイジング効果の両方が切削ベース単一原子層除去プロセスでの切削力に影響を与え、それにより材料除去と表面生成プロセスが変化します。

切削ベース単一原子層除去メカニズムに関する議論

以上の分析によると、原子サイジング効果と切削刃先半径効果の両方が切削ベース単一原子層除去メカニズムに大きな影響を与えます。表3にまとめると、切削深さとワークピース原子半径の比（a/r_w）と切削深さと刃先半径の比（a/R）に依存して、切削ベース単一原子層除去プロセスには最小5つの典型的な材料変形と除去挙動のケースが存在します。このセクションでは、各ケースの基本的な材料変形と除去メカニズムをまとめます。

従来加工では、切削深さが切削刃先半径より著しく大きいため、切削刃先半径効果を無視できます。切削深さがナノスケールまで減少すると、刃先半径と同等またはそれ以下になり、刃先半径効果を無視できなくなります。ナノ切削では、材料除去プロセスは押出し変形によって支配され、切削刃先半径の大きな影響を受けます。切削深さがさらに原子スケールまで減少すると、切削刃先半径効果に加えて、新しいサイジング効果である原子サイジング効果[20]が材料除去に大きな影響を与えます。

図14に示すように、切削ベース単一原子層除去プロセスには切削に関与する2つの部分、すなわちナノメトリック切削刃先と最下部切削工具原子（B）があります。この2つの部分が結合して単一原子層除去を可能にします。切削刃先のサイズ、「ナノツール」として見なされるものは刃先半径（R）で記述されます。切削刃先は切削工具の最外部原子の包絡曲線です。最下部原子を「原子ツール」と見なすと、これはワークピース原子半径（r_w）で記述されます。切削ベース単一原子層除去は、ナノツールと原子ツールがワークピース材料に及ぼす結合作用の結果です。

まず、切削深さ（a）とワークピース原子半径（r_w）の比、すなわちa/r_wに依存して、ACS切削プロセスには3種類の材料変形挙動があります。

1. a/r_wの比が臨界値1（C₁）より小さい場合

図15に示すように、チップ形成は起こりませんが、ワークピース表面で弾性変形が起こります。切削プロセス中、ワークピースが切削工具の最下点を通過すると、弾性変形部分は完全に回復します。結果として、最表面で材料変形と除去は起こりません。このケースでは工具刃先効果を無視できます。この比は材料特性によって影響を受ける可能性があります（ケース1）。

1. a/r_wの比がC₁より大きいが、臨界値2（C₂）より小さい場合

切削深さと原子半径の比（a/r_w）がC₁より大きくC₂より小さくなるにつれ、ワークピース表面で材料除去が起こりますが、非連続的です。このケースでは、対象原子層内の材料の一部のみがせん断応力駆動転位運動によりチップ形成され、他はワークピース表面に残ります。切削工具がワークピース表面を通過すると、加工表面の表面品質が深刻に悪化します（ケース2）（図16）。

1. a/r_wの比が臨界値2（C₂）より大きい場合

切削深さと原子半径の比（a/r_w）が臨界値より大きくなると、切削プロセス中にチップ形成による連続的な材料除去が起こります。このケースでは、刃先半径効果を無視できなくなります。ACS切削プロセスでは最大切削深さはサブナノメートルオーダーです。このような極めて低い切削深さでは、公称すくい角に関わらず、実効すくい角は常に大きく負になります。負のすくい面は、転位運動によるチップ形成を可能にする必要なせん断応力と、加工表面での弾性および/または塑性変形を可能にする圧縮力を生成できます。

切削深さ（a）と工具刃先半径（R）の比に依存して、ワークピース表面で異なる種類の弾性および/または塑性変形プロセスが起こります。a/Rには2つの閾値、閾値1（T₁）と閾値2（T₂）があり、異なる材料除去プロセスをもたらします。

1. a/Rの比が閾値（T₁）より大きい場合

図17に示すように、1つの原子滑り面があります。この面より下のワークピース材料は弾性変形を受けます。この滑り面より上の材料は転位運動による塑性変形を受けます。一部の材料はせん断応力駆動転位運動によりチップ形成され、他は転位滑りを経験します。ワークピース材料が切削工具の最下点を通過すると、弾性変形部分は完全に回復します（ケース3）。

1. a/Rの比が閾値1（T₁）より小さいが、閾値2（T₂）より大きい場合

切削刃先の作用下で、最小2原子層が転位滑りを経験し、加工表面で弾性変形が起こります（図18参照）。切削刃先は転位運動によるチップ形成を可能にするせん断応力と、加工表面での弾性変形を誘起する圧縮応力を生成する力を提供します。このケースでは、対象原子層内の一部材料が転位運動によりチップ形成され、他は他の原子層に押し込まれて新しい加工表面を形成します。また、ワークピース表面の他の原子層の滑りを駆動し、負の転位クライムを引き起こします。ワークピース材料が切削工具の最下点を通過すると、弾性部分は元に戻ります（ケース4）。

1. a/Rの比が閾値2（T₂）より小さい場合

a/Rの比がT₂より小さくなると、チップ形成が起こらないか極めて小さなチップ体積のみですが、加工表面で弾塑性変形が起こります（図19参照）。ワークピース材料が切削刃先の最下点を通過すると、弾性変形部分は元に戻ります。塑性変形部分（Δ）は永続的な変形をもたらします。この比は材料特性、工具形状、プロセス条件に関連します（ケース5）。

結論

本研究では、単結晶銅の単一原子層除去に向けた切削において、原子サイジング効果と切削刃先半径効果の両方を分析し、チップ形成、表面生成、サブサーフェス変形、原子変位挙動への影響を調査しました。以下の結論を導き出せます。

1. 切削ベース単一原子層除去プロセスにおける材料変形と除去の基礎メカニズムを記述する新しいモデルを提案しました。これには、転位運動によるチップ形成、加工表面での弾性変形、原子サイジング効果、切削刃先半径効果の4つの特徴があります。
2. 原子サイジング効果と切削刃先半径効果の両方が、単結晶銅の単一原子層除去に向けた切削プロセス中の材料変形と除去に大きな影響を与えます。切削深さとワークピース原子半径の比（a/r_w）と切削深さと刃先半径の比（a/R）の特定の組み合わせにより、Cu（111）表面で切削ベース単一原子層除去が達成可能です。
3. チップ形成はa/r_wとa/Rの比の影響を受けます。a/r_wの比が1つの臨界値（C₁）より大きく、a/Rの比が1つの閾値（T₁）より小さい場合にのみチップ形成が起こります。さらに、チップ形成は主にせん断応力駆動転位運動に依存し、ナノ切削での押出し支配チップ形成や従来加工でのせん断支配チップ形成とは大きく異なります。
4. 単一原子層除去は層ごと除去と多層除去で達成できます。前者は対象原子層がワークピース表面から完全に除去されることを指し、後者は第1原子層が部分的に除去されながら残りの材料が他の原子層に押し込まれ、新しい加工表面を形成することを意味します。
5. ACS切削プロセスでは加工表面で弾性変形のみが起こり、ナノ切削での弾塑性変形とは異なります。これはACS切削の特徴的特徴の一つと見なせます。
6. 原子サイジング効果と切削刃先半径効果の複合効果に依存して、切削ベース単一原子層除去中に5つの材料変形と除去プロセスのケースが存在します：ワークピース材料が除去されない（ケース1）、ワークピース材料が非連続的に除去される（ケース2）、一部材料がチップ形成されながら他が転位運動による材料滑りを経験する（ケース3）、対象原子層内の一部材料がチップ形成されながら他が他の原子層に押し込まれて新しい加工表面を形成する（ケース4）、弾性変形部分が回復しながら塑性変形部分が永続的な変形をもたらす（ケース5）。

略語

ACS:

原子および近原子スケール

ACSM:

原子および近原子スケール製造

MD:

分子動力学