原子级制造是极具技术挑战性、产业创新性、国际战略性和经济带动性的未来产业，旨在通过规模化精准操控原子，将制造精度推向原子维度，让产品性能逼近理论极限。为了帮助公众更深入地了解这一未来产业前沿技术，上海市未来产业原子级制造专业委员会与上海市原子级制造产业共性技术研究院携手推出“行业洞察”系列，聚焦“学习‘原子级制造’”“原子级制造主要技术路线浅析”“原子级制造典型应用场景及产业化发展方向”三大主题，为大家揭开这项未来制造的神秘面纱，读懂核心技术与产业潜力，层层解锁原子级制造的关键密码。
当加工制造精度达到纳米甚至原子级别时，材料的力学特性、加工工艺特性与长期使用稳定性，将主要由原子排布方式、晶体晶格结构、界面结合形貌以及微观缺陷的演变过程所决定。传统实验方法通常只能获取加工后的宏观结果，难以直接观测原子尺度的动态演化过程，材料内部微小裂纹的出现和扩展、物质结构的变化，以及不同材料之间结合处损坏的机制等等。这些过程通常发生在纳米、甚至原子空间尺度或皮秒时间尺度内，超出了常规实验的直接观测能力。因此，能够解析原子尺度加工机理的分子动力学模拟逐渐成为原子级制造研究的重要理论与计算工具。
超精密制造的新工具：分子动力学模拟及应用
分子动力学（Molecular Dynamics，MD）是一种基于经典力学原理的计算方法，通过求解系统中粒子的牛顿运动方程来模拟其随时间的演化行为。该方法能够获得原子间的运动轨迹，并分析原子间相互作用、结构演变、缺陷形成等微观过程。与传统实验方法主要通过加工结果进行分析不同，MD能更直观地展示材料加工过程中原子尺度的动态变化，实现对材料去除、非晶化、相变和界面反应等现象的可视化分析，从而为研究加工工艺、优化工艺参数和分析缺陷提供重要的理论依据。随着势函数和数值计算方法的不断成熟，分子动力学已经逐渐成为半导体材料、光学材料等超精密制造领域中研究原子尺度加工行为的重要工具。
表面纹理示意图
分子动力学（MD）模拟在半导体材料加工中的应用已广泛覆盖了从底层规律探究到实际工艺优化的多个层面。已有的应用主要包括：利用MD模拟研究纳米划痕、纳米压痕、纳米切割和纳米磨削/抛光等加工过程中的力学机制（如位错形核与扩展、相变、非晶化）和微观结构变化（如亚表面损伤、缺陷演化），并通过中心对称参数、位错提取算法、径向分布函数等分析方法揭示材料去除与损伤机理；同时，MD已用于评估势函数（如Tersoff、ABOP、Vashishta、Morse、LJ）的适用性，以及模拟表面织构、水润滑、离子注入、激光辅助加工、振动辅助加工和磨粒作用等辅助工艺对加工质量的影响，并且在化学机械抛光中引入ReaxFF反应力场以模拟化学反应的原子尺度过程。
纳米研磨/抛光的分子动力学模拟模型及实验装置
展望未来，分子动力学将持续向多尺度、多物理场和智能化方向发展。一方面，通过与有限元、相场法等多尺度模拟方法耦合，实现原子尺度与宏观加工行为之间的关联分析；另一方面，结合机器学习势函数和高性能计算技术，在保证计算精度的同时进一步提升模拟效率。同时，分子动力学与数字孪生、原位表征及实验验证的深度融合，将推动加工过程检测、工艺优化和制造机理研究的发展。从半导体晶圆加工到精密光学制造，再到先进功能材料制备，分子动力学将在揭示材料原子尺度演化规律、指导加工工艺优化以及支撑原子级制造技术发展等方面发挥更加重要的作用。
以上图片均来源于期刊论文：YUN Y, WU S, WANG D, et al. Molecular dynamics simulations in semiconductor material processing: A comprehensive review [J]. Measurement, 2025, 241: 115708. DOI: 10.1016/j.measurement.2024.115708
