近日，PA视讯集团官网,PA视讯集团官网郭剑教授团队在摩擦学领域国际知名期刊《Friction》（IF =8.2，中国科技期刊卓越行动计划领军期刊）上发表题为“Atomistic study of material removal behavior during ultrasonic vibration-assisted nanoscratching of single-crystal AlN”的研究论文。论文第一作者为硕士生冯帅诚，通讯作者为郭剑教授与西南交通大学肖晨教授，PA视讯集团官网,PA视讯集团官网为论文第一署名单位。
图1超声振动辅助纳米划擦机理研究。(a) MD仿真模型；(b)去除体积与载荷的关系；(c)原子位移矢量及表面去除形态；(d) RMS粗糙度; (e)摩擦力与摩擦系数；(f)位错线长度演变；(e)原子层状去除及其与摩擦力的关系。
单晶AlN因其宽禁带、高热导率及优异的压电性能，被视为AlxGa1-xN（0≤x≤1）外延生长的理想衬底，在紫外发光二极管、电子封装及高性能防护涂层等领域应用前景广阔。然而，作为典型的硬脆难加工材料，传统超精密表面加工中AlN存在材料去除率低、加工损伤难以控制等难题，引入超声振动有望提高加工效率和质量。然而，目前针对AlN的超声振动辅助加工原子尺度的材料去除与微观损伤演化机理尚不明确。
针对上述问题，研究团队首先采用分子动力学（MD）模拟构建了单晶AlN超声振动辅助纳米划擦模型，系统比较了不同划擦深度下的材料去除行为、摩擦学性能及亚表面损伤特征。结果表明，超声振动辅助划擦可显著降低切向力、法向力及摩擦系数，在相同划擦深度下材料去除率明显高于普通划擦，且更易实现均匀单层原子去除；划痕表面的均方根粗糙度仅为普通划擦的三分之一。进一步分析表明，超声振动能有效抑制划擦诱导的材料堆积和亚表面损伤（位错与堆垛层错），其机制在于高频振动作用降低了应力分布范围，缓解了局部应力集中。为验证模拟结果的可靠性，团队基于原子力显微镜（AFM）开展了相关实验。发现实验与模拟结果相近——当法向载荷一定时，超声振动辅助划擦去除体积显著高于普通划擦，且随法向力呈指数增长；普通划擦行为则符合经典的Archard定律。模拟和实验结果共同证明引入超声振动能够提升去除效率、改善表面质量。
本研究在原子尺度上揭示出千/兆赫兹超声振动辅助单点金刚石探针纳米划擦过程中，单晶AlN表面去除及亚表面损伤的生成与演化机制，为硬脆半导体表面高精度、高效率、低损伤的超声辅助原子级磨抛加工奠定了必要的理论基础
论文链接：https://www.sciopen.com/article/10.26599/FRICT.2025.9441097
