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研究生:林育德
研究生(外文):Lin,Yu-Te
論文名稱:以平行運算與分子動力學應用在全原子模型碳氫化合長鏈高分子(CH2)n奈米壓印成形性分析
論文名稱(外文):Study on Nanoimprint Formability for the (CH2)n Polymer Material with All Atom Model by Molecular Dynamics and Parallel Computation.
指導教授:許光城許光城引用關係
指導教授(外文):Hsu, Quang-Cherng
學位類別:碩士
校院名稱:國立高雄應用科技大學
系所名稱:機械與精密工程研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2009
畢業學年度:97
語文別:中文
論文頁數:98
中文關鍵詞:分子動力學奈米壓印平行運算方法碳氫化合長鏈高分子材料自組性單分子抗沾黏層全原子勢能模型
外文關鍵詞:Molecular dynamicsNanoimprintparallel computing technique(CH2)n polymer materialSAMall atom mode
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本研究運用分子動力學搭配平行運算方法來模擬碳氫化合長鏈高分子(CH2)n奈米壓印製程,在壓印過程中針對自組性單分子抗沾黏層,利用全原子勢能模型來計算其壓印過程中能量及力量變化。為了使整個程式計算上更有效率,利用平行運算法中之原子分散法,搭配財團法人國家高速網路中心之叢集運算硬體設施,來比較不同運算CPU數所帶來的效益。最後改變壓印參數:溫度、速度及壓印深寬比,來了解壓印參數對成型性的影響。
在自組性單分子抗沾黏層方面,加入全原子勢能模型,依據分析結果,可瞭解到在不同模型尺寸下自組性單分子抗沾黏層在壓印中抗沾黏的力量變化趨勢以及在整個壓印系統力量中所佔之比重;在平行運算效益分析中,可以發現隨著電腦的性能,運算CPU個數增加,運算效益則會有所提升;在溫度效益分析中則發現溫度高有助於高分子加工;在速度效應分析中,低速壓印的圖形成型性會比高速壓印來的好;深寬比效應分析中,了解到深寬比越大,就會導致模具角落在拔模時無法充分壓製成所需要之圖形。最後將各種效應所得到的壓印圖形分析其成型性,發現加上自組性抗沾黏層後,都可以得到成功的轉印圖形,而加大深寬比會降低X軸成形性;提高工作溫度與改變壓印速度則會影響Z軸成形性。
This thesis aims at the study of Nanoimprint for the (CH2)n polymer material. In the nanoimprinting process, all atom mode was used to calculate the energy and force of self-assembled monolayer (SAM). In order to reduce simulation time, parallel computing technique was used from the use of cluster computers of National Center for High-performance Computing (NCHC) where the computing efficiency of different numbers of CPUs were compared. In this study, several forming parameters such as temperate, imprint speed and aspect ratio were changed to realize the formability at different forming conditions.
All atom mode was used on SAM to realize the interaction forces in the SAM at the different process parameters such as mold size and the molecular weight of imprint material. The high-performance computers and the large CPU numbers will increase computing efficiency. High imprint temperature can help to deform the polymer materials. Low imprint speed will result in good formability and high aspect ratio will not result in good imprinted pattern. According the formability results, all the imprint process with SAM will result in good imprinted pattern, furthermore, low aspect ratio, low temperate and low imprint speed will result in good formability.
目錄

中文摘要 I
英文摘要 II
誌謝 III
目錄 IV
圖目錄 VI
表目錄 VII
符號表 VIII

第一章 序論 1
1-1 前言 1
1-2 文獻回顧 3
1-2-1 分子動力學文獻回顧 3
1-2-2 以分子動力學研究奈米壓印結構及成形性分析之文獻回顧 4
1-2-4 平行運算於分子動力學上之文獻回顧 6
1-2-5 分子動力學研究高分子材料奈米壓印結構及成形性分析之研究發展 7
1-3 研究動機 8
1-4 本文架構 9
第二章 分子動力學理論 10
2-1 分子動力學之基本理論與假設 10
2-2 勢能函數(Potential Energy Function)介紹 12
2-3 系綜觀念 13
2-4 週期性邊界條件(Periodic boundary condition, PBC)、最小映像法則(Minimum Image Criterion) 14
2-5 初始條件 17
2-6 Gear五階預測修正法 18
第三章 分子動力學數值模擬方法 21
3-1 勢能選定 21
3-2 物理模型建立 28
3-3 截斷半徑與表列方法 31
3-3-1 Verlet表列法 31
3-3-2 Cell link表列法 32
3-3-3 Cell link表列結合Verlet表列法 32
3-4 無因次化之系統建立 34
第四章 平行運算原理及機制 36
4-1 叢集電腦簡介 36
4-2 平行計算 36
4-2-1 原子分散法 37
4-2-2 力分散法 37
4-2-3 空間分散法 37
4-2-4 平行運算效益 40
4-2-5 平行運算法則比較 41
4-3 Massage Passing Interface(MPI)平行函式庫 43
第五章 結果與討論 46
5-1程式設計及模型參數 46
5-1-1 程式流程 46
5-1-2 模型尺寸 48
5-2 不同尺寸下之全原子勢能分析 51
5-3 平行效益比較 57
5-4 溫度效應 63
5-5 速度效應 68
5-6深寬比效應 73
5-7 成型性分析 76
第六章 結論與建議 78
6-1 結論 78
6-2 建議與未來展望 79
參考文獻 80


圖目錄
圖1-1 運用分子動力學來模擬銅鎳合金之奈米壓印行為 4
圖1-2 分子動力學模擬金屬薄膜壓印之成形性 5
圖1-3 奈米壓印中高分子CF2自組性抗黏層之抗沾黏效應 5
圖2-1 不同尺度下的數值計算方式 10
圖2-2 原子間交互作用示意圖 12
圖2-3 週期性邊界示意圖 15
圖2-4 最小映像法則示意圖 16
圖3-1 二原子鍵長伸縮作用關係圖 23
圖3-2 三原子鍵角彎曲作用之關係圖 24
圖3-3 扭轉角度之示意圖 25
圖3-4 物理模型排列方式 29
圖3-5自組性抗沾黏模具下壓高分子材料示意圖 30
圖3-6 Verlet鄰近表列法示意圖 33
圖3-7 Cell link表列法示意圖 33
圖4-1 原子分散法(AD)示意圖 38
圖4-2 力分散法(FD)示意圖 39
圖4-3 空間分散法(SD)示意圖 39
圖4-4 平行處理之各項結果 41
圖4-5 原子分散法與空間運算法之效率比較 42
圖4-6 計算切割而資料不切割示意圖 44
圖4-7 計算切割且資料切割示意圖 45
圖5-1 運用分子動力學及平行運算分析奈米壓印之程式模擬流程圖 47
圖5-2 5nm線寬模型之各部詳細尺寸 48
圖5-3 18nm線寬深寬比0.5模型之各部詳細尺寸 49
圖5-4 18nm線寬深寬比1模型之各部詳細尺寸 49
圖5-5 模具線寬5nm壓印成型 52
圖5-6 模具線寬18nm壓印成型 52
圖5-7 5nm全原子勢能模型比較圖 53
圖5-8 18nm全原子勢能模型比較圖 53
圖5-9 5nm全原子模型力量曲線圖 54
圖5-10 18nm全原子模型力量曲線圖 55
圖5-11 5nm全原子模型力量比重圖 56
圖5-12 18nm全原子模型力量比重圖 56
圖5-13 18nm線寬、溫度0K、速度1000m/s奈米壓印模擬過程 59
圖5-14運算時間與CPU數量之相對曲線 62
圖5-15 溫度300K之壓印狀況 64
圖5-16 溫度450K壓印狀況 64
圖5-17 溫度300K壓印完成 (a)立體圖 (b)X-Z平面圖 65
圖5-18 溫度450K壓印完成 (a)立體圖 (b)X-Z平面圖 66
圖5-19 不同溫度下力量-壓印深度曲線圖 67
圖5-20 不同溫度下能量-壓印深度曲線圖 67
圖5-21 速度400m/s壓印狀況 69
圖5-22 速度200m/s壓印狀況 69
圖5-23 速度400m/s壓印完成 (a)立體圖 (b)X-Z平面圖 70
圖5-24 速度200m/s壓印完成 (a)立體圖 (b)X-Z平面圖 71
圖5-25 不同速度下力量-壓印深度曲線圖 72
圖5-26 不同速度下能量-壓印深度曲線圖 72
圖5-27 深寬比1下之最大下壓情況 74
圖5-28 深寬比1下拔模後轉印情形 74
圖5-29 不同深寬比之力量-壓印深度曲線圖 75
圖5-30 不同深寬比之能量-壓印深度曲線圖 76


表目錄
表2-1 Gear修正法的修正參數值 20
表3-1 Lennard-Jones勢能之參數值 26
表3-2 (a)伸縮能參數表 (b)彎曲能參數表(c) 扭轉作用勢能參數表 27
表3-3 因次化所根據之物理參數 34
表3-4 各種無因次物理量 35
表5-1 各種模型模擬使用原子數 50
表5-2 勢能分析模擬參數 51
表5-3 平行運算設備規格 58
表5-4 平行效益模擬參數 58
表5-5 Hyper Cluster III KMP-G之平行效益分析 60
表5-6 IBM Cluster1350平行效益比 61
表 5-7 IBM Cluster1350與Hyper Cluster III KMP-G平行效益比較 62
表5-8 溫度效應模擬參數 63
表5-9 速度效應模擬參數 68
表5-10 深寬比效應模擬參數 73
表5-11 成形性分析 77
參考文獻
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