半导体材料硅在国防和民用商业中有着重要作用,其超精密加工技术具有战略性意义,而对其纳米加工性能的探究将为硅片加工的发展提供更为广阔的空间。在纳米级加工过程中,加工尺度达到了原子级别,这与传统加工有着较大差别。分子动力学技术是一种有效的材料纳米级加工性能的研究方法,被广泛用于材料性能的理论研究。纳米压痕与划痕技术是一种精确的材料性能检测的实验方法,通过实验结果能够清晰的分析出材料的相关加工性能。本文基于分子动力学方法结合纳米压痕划痕实验对硅晶体性质进行了相关研究：基于GPU加速技术,搭建了大规模的分子动力学仿真平台,对于氢原子膨胀过程测试可以实现仿真规模达到亚微米级别,原子数目达到千万以上。结合经典势能函数,提出了复杂体系势能函数模型的构建方法。根据分子动力学的基本原理,构建了纳米压痕与纳米划痕的仿真过程。根据计算结果,绘制了纳米压痕过程中的载荷-位移曲线；计算了硅的纳米硬度,其值在9.0Gpa与11.0Gpa之间；研究了纳米划痕过程中温度、力、能量等的变化,分析了单晶硅材料变形与材料去除机理,并应用统计邻位配位数方法分析了材料损伤层形成的原因；比较了不同参数(晶面、深度、载荷、速度等)对于硅晶体加工性能的影响。基于理想硅晶体的结构,建立了含有硅晶体的各种缺陷结构模型,应用第一性原理对模型的准确性进行了检验,误差均小于百分之五。研究了空位缺陷与堆垛层错对于硅晶体加工性能的影响,通过与理想硅晶体的加工性能比较表明缺陷结构的存在会降低材料的硬度,含有缺陷结构的硅晶体不利于进行超精密加工。对单晶硅(100)面进行了纳米压痕与纳米划痕实验,发现了纳米压痕过程中硅晶体纳米硬度的“尺寸效应”,分析了材料弹塑性转变及弹性回复率与载荷大小的关系；得到了硅晶体(100)面的摩擦系数为0.2,分析了硅晶体材料去除过程中的塑性去除与脆性去除,并对压痕与划痕表面进行了原位扫描,分析了材料损伤的形成原因。压痕与划痕结果与分子动力学结果一致。