Molecular dynamics simulations of nanoimprint lithography NIL) are performed in order to investigate effects of process parameters, such as stamp shape, imprinting temperature and adhesive energy, on nanoimprint lithography process and pattern transfer. The simulation model consists of an amorphous $SiO_{2}$ stamp with line pattern, an amorphous poly-(methylmethacrylate) (PMMA) film and an Si substrate under periodic boundary condition in horizontal direction to represent a real NIL process imprinting long line patterns. The pattern transfer behavior and its related phenomena are investigated by analyzing polymer deformation characteristics, stress distribution and imprinting force. In addition, their dependency on the process parameters are also discussed by varying stamp pattern shapes, adhesive energy between stamp and polymer film, and imprinting temperature. Simulation results indicate that triangular pattern has advantages of low imprinting force, small elastic recovery after separation, and low pattern failure. Adhesive energy between surface is found to be critical to successful pattern transfer without pattern failure. Finally, high imprinting temperature above glass transition temperature reduces the imprinting force.
Molecular dynamics simulation and the Mori-Tanaka micromechanics study are performed to investigate the effect of the covalent grafting between CNT and polyester on the mechanical behavior and load transfer of nanocomposites. The transversely isotropic stress-strain curves are determined through the tension and shear simulations according to the covalent grafting. Also, isotropic properties of randomly dispersed nanocomposites are obtained by orientation averaging the transversely isotropic stiffness matrix. By addressing the grafting, the transverse Young's modulus and shear moduli of the nanocomposites are improved, while the longitudinal Young's modulus decreases due to the degradation of the grafted CNT.
Kim, Young-Suk;Lee, Seung-Sub;Na, Kyoung-Hoan;Son, Hyun-Sung;Kim, Jin
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.27
no.10
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pp.1754-1761
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2003
The atomic force microscopy (AFM) based lithographic technique has been used directly to machine material surface and fabricate nano components in MEMS (micro electro mechanical system). In this paper, three-dimensional molecular dynamics (MD) simulations have been conducted to evaluate the characteristic of deformation process at atomistic scale for nano-lithography process. Effects of specific combinations of crystal orientations and cutting directions on the nature of atomistic deformation were investigated. The interatomic force between diamond tool and workpiece of copper material was assumed to be derived from the Morse potential function. The variation of tool geometry and cutting depth was also evaluated and the effect on machinability was investigated. The result of the simulation shows that crystal plane and cutting direction significantly influenced the variation of the cutting forces and the nature of deformation ahead of the tool as well as the surface deformation of the machined surface.
Material failure behavior is generally dependent on loading rate. Especially in brittle and quasi-brittle materials, rate dependent material behavior can be significant. Empirical formulations are often used to predict the rate dependency, but such methods depend on extensive experimental works and are limited by practical constraints of physical testing. Numerical simulation can be an effective means for extracting knowledge about rate dependent behavior and for complementing the results obtained by testing. In this paper, the failure behavior of a brittle material under different loading rates is simulated by molecular dynamics analysis. A notched specimen is modeled by sub-million particles with a normalization scheme. Lennard-Jones potential is used to describe the interparticle force. Numerical simulations are performed with six different loading rates in a direct tensile test, where the loading velocity is normalized to the ratio of the pseudo-sonic speed. As a consequence, dynamic features are achieved from the numerical experiments. Remarkable failure characteristics, such as crack surface interaction/crack arrest, branching, and void nucleation, vary in case of the six loading cases. These characteristics are interpreted by the energy concept approach. This study provides insight into the change in dynamic failure mechanism under different loading rates.
Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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2014.02a
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pp.160.2-160.2
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2014
Recently silicon has attracted intense interest as a promising anode material of lithium-ion batteries due to its extremely high capacity of 4200 mA/g (for Li4.2Si) that is much higher than 372 mAh/g (for LiC6) of graphite. However, it seriously suffers from large volume change (even up to 300%) of the electrode upon lithiation, leading to its pulverization or mechanical failure during lithiation/delithiation processes and the rapid capacity fading. To overcome this problem, Si nanowires have been considered. Use of such Si nanowires provides their facile relaxation during lithiation/delithiation without mechanical breaking. To design better Si electrodes, a study to unveil atomic-scale mechanisms involving the volume expansion and the phase transformation upon lithiation is critical. In order to investigate the lithiation mechanism in Si nanowires, we have developed a reactive force field (ReaxFF) for Si-Li systems based on density functional theory calculations. The ReaxFF method provides a highly transferable simulation method for atomistic scale simulation on chemical reactions at the nanosecond and nanometer scale. Molecular dynamics (MD) simulations with the ReaxFF reproduces well experimental anisotropic volume expansion of Si nanowires during lithiation and diffusion behaviors of lithium atoms, indicating that it would be definitely helpful to investigate lithiation mechanism of Si electrodes and then design new Si electrodes.
Molecular dynamics simulations were performed to study interface structures between an $Al_2O_3$ crystalline phase and a interface phase of $CaAl_2Si_2O_8$. We calculated atomic structures and excess interface energies in systems with different thicknesses of the interface film. It was found that excess interface energies at first readily decreased with increasing film thickness, but increased for larger thicknesses of more than 2 nm. The excess energies of $Al_2O_3/CaAl_2Si_2O_8$ interfaces exhibit a minimum at a thickness around 1 nm. In this range of film thicknesses, the atoms in the interface film show a short-range ordered structure and slow diffusion rather than the random structure and rapid diffusion expected to an observation of an equilibrium thickness for interface films in ceramics.
In this study, we quantitatively measure the ion ranges of arsenic with energies ranging from 10 KeV to 100 KeV, implanted at $3^{\circ}$, $9^{\circ}$$15^{\circ}$ the (100) plane, and the damage created during ion implantation. To obtain detailed information of ion range and damage distributions in low energy region where elastic collisions dominate the slowing down process, molecular dynamics computer simulation was performed and compared to the existing results. The effects of implant energy and degree on damage generation are present. The number of vacancy were calculated from the deposited energy using Kinchin-Pease equation. In the energy range 10 keV-100 keV, simulations show that the number of Frenckel pairs produced by As-ion bimbardment is 9 and incident angle dependence of the vacancy was the same but defects were distributed at different depth.
FLOWERING LOCUS T (FT) and TERMINAL FLOWER 1 (TFL1) in Arabidopsis are homologous proteins that perform opposite functions: FT is an activator of flowering, and TFL1 is a repressor. It was shown before that change of a single amino acid (His88) of TFL1 to the corresponding amino acid (Tyr) of FT is enough to convert the floral repressor to an activator. However, structural basis of the functional conversion has not been understood. In our molecular dynamics simulations on modified TFL1 proteins, a hydrogen bond present in native TFL1 between the His88 residue and a residue (Asp144) in a neighboring external loop became broken by change of His88 to Tyr. This breakage induced conformational change of the external loop whose structure was previously reported to be another key functional determinant. These findings reveal that the two important factors determining the functional specificities of the floral regulators, the key amino acid (His88) and the external loop, are correlated, and the key amino acid determines the functional specificity indirectly by affecting the conformation of the external loop.
We present results of molecular dynamics simulations for hydroxide ion in supercritical water of densities 0.22, 0.31, 0.40, 0.48, 0.61, and 0.74 g/cc using the SPC/E water potential with Ewald summation. The limiting molar conductance of $OH^-$ ion at 673 K monotonically increases with decreasing water density. It is also found that the hydration number of water molecules in the first hydration shells around the $OH^-$ ion decreases and the potential energy per hydrated water molecule also decreases in the whole water density region with decreasing water density. Unlike the case in our previous works on LiCl, NaCl, NaBr, and CsBr [Lee at al., Chem. Phys. Lett. 1998, 293, 289-294 and J. Chem. Phys. 2000, 112, 864-869], the number of hydrated water molecules around ions and the potential energy per hydrated water molecule give the same effect to cause a monotonically increasing of the diffusion coefficient with decreasing water density in the whole water density region. The decreasing residence times are consistent with the decreasing potential energy per hydrated water molecule.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2007.04a
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pp.421-426
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2007
A parametric study to investigate the effects of composition variables on the glass transition and mechanical properties of CNT-based nanocomposites was performed using molecular dynamics simulations. In this study, matrix chain length and CNT length were chosen as the candidate characteristic parameters. In order to understand the effect of both parameters in detail, three sample sets having different chain lengths with the same CNT configuration and two sample sets having different CNT lengths with same chain length were prepared. Other parameters such as volume fraction and density were fixed to enable rigorous comparisons. Amorphous polyethylene is used as matrix polymer and (10,0) zigzag CNT is embedded into the matrix to reinforce polymer matrix. As a result, longer polymer chain length of matrix solely increased glass transition temperature but no reinforcing enhancement was observed. CNT length showed similar increase with little enhancement of elastic modulus. In addition to this, nanocomposites showed temperature-dependent elastic modulus jump passing thorough the glass transition region agrees well with experimental results.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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