Técnica de Simulación por Dinámica Molecular para la Nanoindentación y Nanorayado de Películas Delgadas

Abstract

Mediante la técnica de simulación por Dinámica Molecular (DM) se diseñó una interfaz gráfica capaz de simular las propiedades mecánicas de monocapas de materiales duros. El modelamiento de un sistema escalado de n cuerpos permite obtener propiedades tales como módulo de elasticidad y coeficientes de fricción. La generación del sistema se basa en un crecimiento tridimensional que reproduce la forma real de las películas. Se implementó el método del potencial de Morse para el cálculo de las fuerzas. La interacción indentador superficie es calculada a partir de un potencial esférico repulsivo. El potencial de Morse presenta cuatro términos: energía de disociación, radio de corte, distancia entre pares y profundidad del pozo potencial. El potencial esférico repulsivo presenta tres términos: energía de la esfera, radio de corte y distancia entre pares. La necesidad de paralelizar el proceso conllevo a utilizar un procesador o dos por cada sistema dependiendo del tamaño de la muestra, junto con un programa central controlador de la información compartida. Los sistemas presentarán anisotropía longitudinal en dirección del crecimiento de la muestra y están confinados en una caja de simulación; luego de tener el modelo se procedió a relajar la muestra mediante un termostato que llevó el sistema a un equilibrio térmico; seguidamente, se indentó y rayó la película con un indentador esférico; a continuación se calcularon las fuerzas que desplazarán las partículas a sus nuevas posiciones y a partir de estos desplazamientos se obtuvo la fuerza neta en el indentador. Se observaron cambios en el estado mecánico del sistema; estos cambios revelan propiedades que son de gran utilidad en la construcción de dispositivos que requieren mayor resistencia mecánica (Texto tomado de la fuente)

Throughout the Molecular Dynamics (MD) simulation technique, a graph capable of simulating the mechanical properties of hard materials’ monolayers was designed. The modelling of a tiered system of N bodies allows obtaining properties such as elasticity model and coefficients of friction. The generation of the system is based on a three-dimensional growth that reproduces the real form of the thin films. Morse Potential Method was implemented for calculating the forces. The interaction indenter-surface is calculated from a repulsive spherical potential. Morse potential presents four terms: dissociation energy, cutoff radius, equilibrium bond distance and potential well depth. The repulsive spherical potential presents three terms: Energy of the sphere, cut-off radius and equilibrium bond distance. The need of parallelizing the process led to using one or two processors for every system depending on the size of the sample, along with controller central program of shared information. The systems will present longitudinal anisotropy towards the growth of the sample and are confined in a simulation box; after having the model, the sample was relaxed by a thermostat that took the system to a thermic balance; subsequently, the thin film was indented and scratched with a spherical indenter; then, the forces that will displace the particles to their new positions were calculated and from these displacements, the net force in the indenter was obtained. Some changes were observed in the system mechanical status; these changes reveal the properties that are of great use in the construction of devices that require greater mechanical resistance