基于AIMD与DFT计算的镍磷合金原子级去除机制研究及CMP抛光液优化

为揭示镍磷(Ni-P)合金化学机械抛光(CMP)中的原子级去除机制，研究人员结合"化学齿"模型，采用从头算分子动力学(AIMD)和密度泛函理论(DFT)方法，建立了单原子(层)去除模型，阐明了SiO2磨料与Ni-P表面的相互作用机制，并通过能量分析优化了抛光液成分，最终将表面粗糙度Ra从2.396 nm降至0.451 nm，为高精度光学元件制造提供了理论指导。

　　

随着光学系统向短波长发展，镍磷(Ni-P)合金光学元件在紫外-可见光波段的应用需求激增，但实现原子级超光滑表面面临巨大挑战。传统抛光工艺如磁流变抛光虽能将表面粗糙度Ra控制在0.926 nm，但存在低频误差增加等问题；而化学机械抛光(CMP)过程中原子级去除机制尚不明确，抛光液配方依赖经验试错，严重制约加工效率。

为解决上述问题，中国的研究团队在《Applied Surface Science》发表研究，通过建立基于"化学齿"模型的单原子(层)去除理论，结合从头算分子动力学(AIMD)模拟和密度泛函理论(DFT)计算，系统揭示了SiO₂磨料与Ni-P表面的原子级相互作用机制。研究采用VASP软件进行AIMD模拟，构建了表面原子层接触模型和单原子去除模型；通过DFT计算分析了酸碱环境和络合剂对结合能的影响；最终通过实验验证优化配方，在70分钟内将Ni-P镜面Ra从2.396 nm降至0.451 nm。

单原子(层)去除模型
基于Cook的"化学齿"模型，提出Ni-P合金去除新机制：当磨料分子簇与工件表面原子间距小于0.3 nm时，会形成化学键合作用，通过"牵引-断裂"过程实现原子级去除。理论计算表明，Ni-P表面原子结合能约为3.5 eV，而SiO₂磨料分子簇的牵引作用可使结合能降低至1.2 eV，促进原子脱离。

SiO₂磨料下的AIMD去除机制
AIMD模拟显示，SiO₂分子簇与Ni-P表面存在两种作用模式：在接触模型中，磨料通过形成Si-O-Ni键合引发表面原子层集体位移；在单原子去除模型中，特定取向的SiO₂分子可选择性断裂Ni-P键，实现定点原子移除。能垒分析表明，单原子去除模式的活化能比机械犁削降低67%。

抛光液成分的DFT优化
DFT计算揭示：碱性环境(pH=9)下H₂O分子与Ni的结合能达-1.8 eV，优于酸性条件；柠檬酸作为络合剂时，其与游离Ni²⁺的结合能(-2.3 eV)显著高于草酸(-1.5 eV)。据此设计的抛光液在实验中实现材料去除率0.8 μm/h，表面粗糙度降幅达81%。

该研究首次从原子尺度阐明了Ni-P合金CMP去除机制，建立的"AIMD+DFT"预测框架可推广至其他材料体系。理论指导下的抛光液开发将试错周期从传统数月缩短至数周，为EUV光刻机反射镜等高端光学元件制造提供了关键技术支撑。Yuxuan Wang等学者特别致谢Yang教授和Bai教授的学术指导，研究成果已获得国家重点研发计划(2024YFF0728402)支持。