Analysis of gallium phosphide nanoindentation and cutting mechanism: a molecular dynamics approach

Abstract

Fosfeto de gálio (GaP) é industrialmente importante para diodos emissores de luz (LEDs) e óptica; no entanto, limitações de fabricação e materiais alternativos restringem seu uso. Para expandir as aplicações do GaP e aproveitar suas propriedades ópticas, é essencial um entendimento mais profundo do seu comportamento de deformação. Nesse contexto, esta tese investiga a deformação do GaP por meio de nanoindentação e usinagem de ultraprecisão, utilizando experimentos e simulações de dinâmica molecular, com foco na transição frágil- dúctil. Para os experimentos, nanoindentações e testes de riscamento com profundidade variável (plunge tests) foram realizados em uma amostra monocristalina de GaP. As nanoindentações foram realizadas com cargas de 5 mN e 10 mN em taxas de carregamento de 0,1 mN/s, 0,5 mN/s e 1,0 mN/s. As curvas de carregamento-deslocamento e as medições por microscopia de força atômica (AFM) mostraram que a dureza do GaP é consistente com a literatura. Amontoamentos ao redor da indentação chamados pile-ups foram observados via AFM. Discontinuidades na curva de carregamento-deslocamento chamados pop-ins apareceram em duas formas: pop-ins longos, que marcaram o fim da fase elástica, e pop-ins curtos, caracterizando a fase plástica. Os testes de riscamento foram realizados com ângulos de saída de -20° e -30°, ângulo de penetração de 0,005° e uma ferramenta de diamante monocristalino. Os testes mostraram que o corte começou de forma dúctil e passou para um regime frágil em profundidades de corte superiores a ~100 nm. Uma simulação de dinâmica molecular da nanoindentação foi realizada com uma esfera repulsiva de 3,5 nm como ponta do indentador e uma peça de trabalho de GaP de 14 nm × 11 nm × 14 nm a uma taxa de 0,4 Å/ps (40 m/s). Os resultados mostraram a formação de pile-up e uma transição frágil-dúctil abaixo da ponta do indentador. A partir da curva de carregamento-deslocamento, foi estimado um valor de dureza para o GaP próximo ao obtido experimentalmente. A deformação plástica teve início com a ocorrência da primeira discordância, momento em que a curva carregamento-deslocamento também desviou da curva hertziana. Em adicional, durante a fase de deformação plástica, a temperatura do sistema e o número de átomos com coordenação 6 aumentaram. Devido à concordância desses resultados com os experimentais e com a literatura, o campo de forças utilizado para as simulações foi considerado válido para a análise do comportamento de deformação na nanoindentação e um candidato adequado para simulações de usinagem. Utilizando o campo de forças validado, simulações de usinagem do GaP foram realizadas. Os parâmetros de processo foram ângulos de saída de -10°, -20° e -30° e uma velocidade de corte de 1200 m/min. Dois modelos de peças de GaP foram utilizados, sendo um com dimensões 87 nm × 33 nm × 5 nm e outro com dimensões 87 nm × 33 nm × 10 nm. Os resultados da simulação mostraram que ângulos de saída mais negativos geraram mais falhas de empilhamento na direção do fluxo do cavaco. A fase dúctil apareceu na zona de cisalhamento terciária para ângulos de saída -10° e -20° e na zona de cisalhamento secundária para -30°. A pressão hidrostática indicou que a fase dúctil resultou tanto de cargas cisalhantes quanto hidrostáticas. As falhas de empilhamento se intensificaram devido às condições periódicas de contorno, o que foi confirmado por modelos com maior espessura de corte. Uma zona de estagnação se formou, nela a força normal de corte estava a 45° da direção de corte, alinhando- se com um plano de deslizamento do GaP. A transição frágil-dúctil, gerada pelo cisalhamento e pela tensão hidrostática, contribuiu menos para a formação do cavaco do que as falhas de empilhamento, contradizendo a literatura que sugere uma formação significativa da fase dúctil à frente da ferramenta. Até onde estende-se do conhecimento do autor desta tese, a transição do GaP de estrutura blenda de zinco para ß-Sn, que corresponde à metalização, foi simulada para os processos de nanoindentação e usinagem pela primeira vez. Além da metalização, falhas de empilhamento foram observadas como um segundo mecanismo de corte com contribuição para a usinagem em modo dúctil. Durante o processo de corte, a variação da força normal de corte ao longo do gume pode explicar a ocorrência de ambos os mecanismos, bem como a formação da zona de estagnação. Essas descobertas levaram à conclusão de que, além do ângulo de saída, a geometria do gume na escala nanométrica é de determinante para a ocorrência desses mecanismos no GaP.

Abstract: Gallium phosphide (GaP) is industrially important for light-emitting diodes (LEDs) and optics; however, manufacturing limitations and alternative materials restrict its use. To expand GaP applications and take advantage of its optical properties, a deeper understanding of its deformation behaviour is essential. In this context, this dissertation investigates GaP deformation through nanoindentation and ultraprecision machining using experiments and molecular dynamics simulations, focusing on its brittle-ductile transition. The experiments consisted in nanoindentations and plunge tests. Nanoindentations with 5 mN and 10 mN loads at rates of 0.1 mN/s, 0.5 mN/s, and 1.0 mN/s were performed on a GaP monocrystalline sample. Load-displacement curves and atomic force microscopy measurements showed GaP hardness consistent with literature. Pop-ins appeared in two forms: long pop-ins (~1.9 mN) ending the elastic phase and short pop-ins characterizing the plastic phase. The initial and final contact pressures of the long pop-ins decreased with loading rate increase. Plunge tests were performed also on a Gap monocrystalline sample using rake angles -20° and -30°, plunge angle of 0.005°, and a single crystal diamond tool. The plunge tests showed the cut started as ductile and changed to brittle in depths of cut larger than ~100 nm. A molecular dynamics simulation of nanoindentation was performed using a 3.5 nm repulsive sphere as indenter tip moving at 0.4 Å/ps (40 m/s) and a 14 nm x 11 nm x 14 nm GaP workpiece. Results showed pile-up formation and a brittle-ductile transition beneath the indenter tip. Using the load-displacement curve, an estimation of GaP?s hardness value was obtained as close to the experimental value. Plastic deformation started at the first dislocation when the load-displacement curve deviated from the Hertzian curve. In addition, temperature and the number of atoms with coordination number 6 increased during plastic deformation phase. Due the agreement of these results with experiments and literature, the force field for GaP was considered valid for the analysis of deformation behaviour in nanoindentation and a valid candidate for machining simulations. Machining simulations with rake angles of -10°, -20°, and -30° and cutting speed of 1200 m/min in 87 nm x 33 nm x 5 nm and 87 nm x 33 nm x 10 nm GaP workpieces were performed. Noticeably, more negative rake angles produced more stacking faults along the direction of the chip flow, and ductile phases appeared in the tertiary shear zone for -10° and -20° and in the secondary shear zone for -30° as a result from shear and hydrostatic loads. A stagnation zone occurred where the normal cutting force was 45° with cutting direction, aligning with a GaP slip plane. Stacking faults presence intensified due to periodic boundaries, as confirmed by models with larger cutting thickness. Finally, brittle-ductile transition, driven by shear and hydrostatic stress, contributed less to chip formation than stacking faults, contradicting literature that suggests a significant ductile phase formation in front of the tool cutting edge. To the best of the author's knowledge, the transition of GaP from zincblende to ß-tin during nanoindentation and machining processes was simulated for the first time. Additionally, stacking faults were observed as a deformation mechanism. During cutting, the variation in normal cutting force along the cutting edge can explain the occurrence of both mechanisms, as well as the formation of the stagnation zone. These findings led to the conclusion that, in addition to the rake angle, the geometry of the tool cutting edge at the nanometric scale is of extreme significance for the occurrence of these cutting mechanisms in GaP ultraprecision machining.