硅基材料（如单晶硅、二氧化硅等）在微/纳机电系统（MEMS/NEMS）的制造中展现了广阔的应用前景。然而，由于其较差的摩擦学特性以及微/纳尺度下材料的尺寸和表面效应，纳米磨损问题广泛存在于含有滑动、冲击、或接触部件的硅基MEMS/NEMS中，使其可靠性及寿命面临巨大的挑战和局限性。单晶硅作为最典型的半导体材料，因具有良好的光刻和机械加工性能，在MEMS/NEMS、大规模集成电路、生物芯片等纳米科技中得到了非常广泛的应用。化学机械抛光（CMP）是这些硅基器件的纳米级甚至原子级精度表面制造中不可或缺的关键技术。单晶硅CMP也属于硅基材料的纳米磨损问题，但纳米尺度下的材料去除规律和机理需要进一步的探索。硅基材料纳米磨损不仅是其微/纳科技应用所面临的关键问题，更是硅基材料纳米制造的基础问题。因此，本文研究成果将为微/纳机电系统的防护与设计提供参考，也有助于推动单晶硅CMP技术的发展。
应用ReaxFF反应力场分子动力学模拟方法，对硅基材料之间的摩擦磨损行为和摩擦化学反应进行了系统的量化研究，从原子尺度上揭示了硅基材料的磨损机理。
①模拟了全羟基化非晶态二氧化硅表面间的滑动摩擦过程，研究了接触界面上的摩擦化学磨损机理，揭示了硅醇密度对界面摩擦磨损的影响规律与机制。结果表明，随表面硅醇密度的增大，界面摩擦磨损被大大降低，这归因于表面硅醇的增多抑制了界面Si−O−Si桥键的初始形成。观察到两种形成界面Si−O−Si桥键的摩擦化学反应：一种是摩擦对偶表面Si−OH基团之间的脱水反应，这种反应对表面硅醇密度的改变不敏感；另一种反应发生在Si−OH基团和对表面Si−O−Si键之间，硅醇密度的增大对此反应的发生有着明显的抑制作用。且第二种界面Si−O−Si桥键形成机理对界面摩擦磨损行为起到了主导作用。还发现表面硅醇密度的增大导致了全羟基化非晶态二氧化硅表面几何结构的改变，且对界面摩擦化学反应的抑制以及界面摩擦磨损的降低起到了重要作用。
②模拟了全羟基化晶体二氧化硅表面间的滑动摩擦过程，研究了接触界面上的摩擦化学磨损机理，揭示了界面水数量对界面磨损的影响规律与机制。结果表明，晶体二氧化硅表面Si−O−Si键有两种断裂行为：一种是表面Si−O−Si键与水分子发生水解反应而断裂，另一种是界面Si−O−Si桥键的拉伸作用促使表面Si−O−Si键与水分子发生水解反应而断裂。这两种断裂行为均导致了晶体二氧化硅表面摩擦化学磨损的发生。随界面水数量的增加，仅由水解反应导致的磨损硅原子数量先增大后减小至零，而界面Si−O−Si桥键辅助导致的磨损硅原子数量从最大值逐渐减小至零。这两种摩擦化学磨损随界面水数量的变化规律可用界面水的双重作用（即化学作用和润滑作用）来解释。法向载荷的增大均促进了两种摩擦化学磨损的发生。还观察到了以亚表层局部晶格扭曲表征的机械磨损。
③模拟了水分子对单晶硅(110)表面的氧化过程，发现硅氧化层的主要结构是Si−H基团、Si−O悬键和Si−O−Si键，而非Si−OH基团。模拟了全羟基化非晶态二氧化硅探头划擦水氧化单晶硅(110)表面的滑动摩擦过程，研究了单晶硅CMP过程中的材料去除机理。结果表明，氧原子在硅基体表面的嵌入（即表面Si−O−Si键的形成）以及界面Si−O−Si和Si−Si桥键的形成是单晶硅CMP材料去除的两个主要磨损机理，且对单晶硅(110)表面摩擦化学磨损的贡献由大到小依次为：氧原子的嵌入，界面Si−O−Si桥键的形成，界面Si−Si桥键的形成。氧化层对单晶硅(110)表面磨损的作用机理主要是为嵌入硅基体表层的氧原子提供来源，而非为界面Si−O−Si桥键中的氧原子提供来源。单晶硅(110)化学机械抛光过程中的表面磨损不仅是机械作用（挤压和剪切）和化学作用耦合作用的结果，也是多种原子尺度磨损机理共同作用的结果。

硅基材料；摩擦化学反应；摩擦化学磨损；反应力场分子动力学模拟