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Habilitation Thesis
DOI
10.11606/T.18.2017.tde-01122017-121801
Document
Author
Full name
Renato Goulart Jasinevicius
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Carlos, 2004
Committee
Porto, Arthur Jose Vieira (President)
Bianchi, Eduardo Carlos
Duduch, Jaime Gilberto
Machado, Alisson Rocha
Marar, Washington Luiz
Title in Portuguese
A influência do valor da pressão de transição de fase sobre a transição frágil-dúctil na usinagem de cristais semicondutores
Keywords in Portuguese
Ferramenta de diamante
GaAs (100)
InSb (100)
Mecanismo de corte
Regime dúctil
Silício (100)
Torneamento com diamante
Transição de fase
Abstract in Portuguese
A aplicação do processo de torneamento com ferramenta de ponta única de diamante para produção de grandes lentes com cristais semicondutores tem despertado grande interesse tanto de centros de pesquisa quanto da indústria óptica. Todavia, existem restrições significativas, para usinagem destes materiais, relacionadas a propriedades tais como dureza e fragilidade. Neste trabalho, será proposto que a resposta dúctil de monocristais semicondutores durante a usinagem pode ser previamente estimada através do valor da pressão de transição de fase. A principal hipótese aqui será: quanto maior o valor da pressão de transição de fase menor será a ductilidade do monocristal na usinagem. A relevância desse aspecto é demonstrar que a dureza desses materiais não pode ser utilizada como parâmetro para avaliar o grau de dificuldade em usinar esse material. Isto é demonstrado utilizando 3 cristais semicondutores diferentes. Os monocristais semicondutores utilizados foram Silício (Si), Antimoneto de Índio (InSb) e Arseneto de Gálio (GaAs), todos com orientação (100). Foi demonstrado que o valor da pressão de transição é o parâmetro que oferece maiores subsídios com relação à ductilidade apresentada por semicondutores durante a usinagem. Foi mostrado que a formação do cavaco com ferramenta de diamante ocorre com variação na pressão imposta pela ferramenta. Resultados de espectroscopia Micro-Raman mostram até 4 fases além da fase amorfa (a-Si) que ocorre próximo à região central da ponta da ferramenta. Técnicas de caracterização como Microscopia Eletrônica de Varredura e de Transmissão, Difração de elétrons, Microscopia de Força Atômica, Espectroscopia (Macro e Micro) Raman foram empregadas para contemplar aspectos de acabamento superficial e integridade superficial e subsuperficial. Este estudo conseguiu demonstrar que a camada superficial usinada é constituída por microcristais com dimensões nanométricas imersos em uma matriz amorfa. Foi também demonstrado que quando a amostra usinada passa por um recozimento sua estrutura volta ao estado cristalino.
Title in English
The influence of the transition pressure upon the brittle-to-ductile transition in the machining of semiconductors crystals
Keywords in English
Diamond turning
Ductile regime
GaAs (100)
InSb (100)
Material removal mechanism
Phase transition
Si (100)
Single point diamond tool
Abstract in English
In recent years, considerable progress has been made on the study of the machinability of fragile materials such as semiconductors crystals, optical glasses, ceramics, etc., because of the demand for faster fabrication processes of complex surface shapes for optoelectronic applications. lt is proposed that semiconductors single crystal ductility is likely the end result of a pressure/stress induced phase transformation during cutting. In this work, the difference between ductile and brittle mode single-point diamond turning on the surface of machined semiconductors crystals were investigated using different characterization techniques. The main hypothesis here is: the higher the transition pressure value the lower will be the ductile response cluring machining of semiconductors crystals. The relevance of this is to demonstrate that the hardness of these materials can not be utilized as a parameter to evaluate the degree of difficulty in machining these materials. This is demonstrated by taking 3 different semiconductors crystals: Si, InSb and GaAs, all presenting the same crystallographic orientation (100). It is shown that the transition pressure value is the parameter that offers the best tradeoff relating to the ductility of semiconductors crystals during machining. lt is also shown that the chip formation is affected by different contact pressure along the cutting tool edge. Micro Raman spectroscopy results presents 4 different phases besides the amorphous phase (a-Si) which is thought to take place at the vicinity of the round nose tool center. Characterization techniques such as Scanning Electron Microscopy, Transmission Electron Microscopy, Atomic Force Microscopy, electron diffraction, Micro and Macro Raman spectroscopy were employed to analyses aspects related to surface and sub surface integrity. This study has demonstrated that the surface is composed by nanometer range crystallites immersed in an amorphous matrix. lt is also shown that the machined surface cristallinity may be recovered by means of annealing heat treatment.
 
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Publishing Date
2017-12-01
 
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