超精密加工技术广泛应用于高性能半导体芯片、光电器件和微机械系统的制造，其本质是通过材料微观去除来实现高精度表面或超精细结构的加工。GaN和AlN在常温常压下表现为六方纤锌矿晶体结构，具有硬度高、化学惰性的特点，属于典型的硬脆半导体难加工材料，研究揭示其微观去除行为和机理可为相关的超精密切/磨削和化学机械抛光等常见的超精密加工工艺研发提供必要的理论依据。借助原子力显微镜研究了单个Al₂O₃球形磨粒对Ga和N极性表面摩擦过程中的机械化学去除，发现晶体极性和环境湿度强烈影响Al₂O₃‒GaN界面的机械化学反应，导致迥异的微观磨损量（率）。结合XPS表征和DFT计算，发现c轴生长的GaN表面的悬键结构与OH^‒之间的斥力与机械化学反应活性负相关，Ga面的每个N原子由于具有三倍于N面的悬键数量，在同样的载荷条件下其磨损率远低于N面。高分辨TEM观测证实低压下GaN表面机械化学材料微观去除过程不引起次表层晶格损伤。对比研究了金刚石和Al₂O₃磨粒对N面的机械去除和机械化学去除行为，发现由塑性变形主导的机械去除行为符合Archard定律，磨损率与环境湿度和滑动速度无关；机械化学去除则可由Aarrhenius动力学模型描述，磨损率与接触压力呈指数函数关系，与湿度和滑动速度相关。基于纳米金刚石磨粒对单晶AlN划擦过程的分子动力学模拟，研究了单晶AlN表面从纳米到亚纳米尺度的去除行为，揭示出划擦过程中亚表层晶格损伤的产生和演化、及其与表面微观去除的内在关联机制。纤锌矿AlN晶体在纳米尺度表现出较宽的塑性域，在弹-塑转变区捕捉到了AlN单分子层的去除现象，并发现位错滑移主导的晶体塑性是发生单层去除的主因。此外，温度和晶面取向对单晶AlN弹-塑转变、微观硬度、表面摩擦系数、磨损率以及近原子尺度去除特征和临界条件的影响显著。最后，初步研究了辐照效应和超声振动外场辅助对AlN表面微观去除和亚表层晶格损伤的影响，发现引入外部能场可有效提升去除效率和加工表面质量。
 

GaN/AlN；超精密加工；微观去除；亚表层损伤；原子力显微镜；分子动力学