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钨表面累积的空位和自间隙原子对表面缺陷阱功能的影响

2020-12-09阅读(1056)

钨表面累积的空位和自间隙原子对表面缺陷阱功能的影响

论文摘要

钨作为未来最有前景的面对等离子体材料,在中子诱导的离位损伤作用下,材料内部会产生大量的点缺陷,如空位（vacancies,Vs）和自间隙原子（self-interstitial atoms,SIAs）。这些缺陷除了可以在块体中聚集形成活性低的缺陷团簇（Vn/SIAn）,如孔洞、气泡和位错环之外,还会偏聚到表面,改变表面的形态。这些缺陷不仅改变了表面与块体中缺陷的相互作用,同时也不可避免地影响了氢氦在钨近表面处的行为。除此之外,离位损伤还会进一步影响表面作为空位和自间隙原子等缺陷的缺陷阱作用。本文综合采用分子静力学（molecular statics,MS）、分子动力学（molecular dynamics,MD）和实体动力学蒙特卡罗（object kinetic Monte Carlo,OKMC）计算模拟方法,对钨表面空位和自间隙原子团簇对表面形态和表面缺陷阱作用的影响进行了研究。全文主要分为两个部分。一.钨表面空位和间隙原子团簇对表面形态的影响采用MS、MD和OKMC模拟方法研究了在W的两个低指数（100）和（1 10）表面V/SIA的聚集,目的是为了揭示聚集有V/SIA的表面对表面附近后续V/SIA的偏聚和湮灭的影响。研究结果为:（1）MS和MD计算结果表明:Vn/SIAn可以在（1 0 0）和（1 1 0）表面形成。原因是V/SIA成团过程中的能量释放以及V/SIA在Vn/SIAn附近扩散能垒的降低,分别提供了能量学和动力学的驱动力。然而,相对于（10 0）表面,Vn/SIAn更容易在（1 1 0）表面聚集成团,主要是由于V与Vn（或者SIA和SIAn）结合能较大,而且在（1 1 0）表面上V/SIA的扩散能垒较低。同时表面空位团簇能促进近表面处空位向表面的偏聚。（2）1000K时的OKMC模拟研究结果表明:在累积的辐照条件下,V/SIA团簇在（110）表面形成,而在（10 0）表面倾向于存在SIA团簇和点空位。因此,在（1 0 0）表面倾向于形成凸起结构,而在（1 1 0）表面容易形成凹凸结构。二.钨表面空位和间隙原子团簇对表面缺陷阱功能的影响研究结果表明:两个表面上大的空位团簇结构可以发展成为局域的凹陷结构,其行为与完美表面相似,而小空位团簇依然保持着缺陷的特点。同时,表面上大空位团簇的凹陷处与表面的交界可以作为V和SIA的缺陷阱,从能量学和动力学上来看都有利于交界处附近的V和SIA向交界处扩散。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  •   1.1 研究背景
  •     1.1.1 核聚变技术
  •     1.1.2 核聚变堆材料
  •   1.2 研究现状
  •     1.2.1 辐照损伤效应与多尺度模拟
  •     1.2.2 钨辐照损伤的研究
  •   1.3 本文研究意义及主要研究内容
  • 第二章 分子动力学方法
  •   2.1 分子动力学方法
  •     2.1.1 基本原理
  •     2.1.2 运动方程的数值积分
  •     2.1.3 体系的初始设定
  •     2.1.4 周期性边界条件和最近镜像
  •     2.1.5 势函数
  •   2.2 构型弛豫
  •     2.2.1 最速下降法
  •     2.2.2 共轭梯度法
  •   2.3 最小能量路径计算
  • 第三章 动力学蒙特卡罗方法
  •   3.1 基本原理
  •   3.2 Metropolis算法
  •   3.3 指数分布与时间步长
  •   3.4 跃迁速率的确定
  •     3.4.1 过渡态理论
  •     3.4.2 简谐过渡态理论
  •   3.5 动力学蒙特卡罗的程序
  •   3.6 低能垒问题
  •   3.7 实体动力学蒙特卡罗方法（object kinetic Monte Carlo,OKMC）
  • 第四章 钨表面空位和间隙原子团簇对表面形态的影响
  •   4.1 研究背景
  •   4.2 研究方法
  •     4.2.1 原子相互作用势和MS计算的计算模型
  • n/SIAn构型的详细方法'>    4.2.2 在表面上寻找Vn/SIAn构型的详细方法
  •     4.2.3 表面V/SIA性质的MS计算细节
  •     4.2.4 长时间尺度下表面V/SIA聚集的OKMC模拟细节
  •   4.3 研究结果
  • n/SIAn的形态学和能量学'>    4.3.1 （100）和（110）表面Vn/SIAn的形态学和能量学
  •     4.3.2 （100）和（110）表面V/SIA成团过程的动力学研究
  •     4.3.3 表面空位团簇对近表面V偏聚过程的影响
  •     4.3.4 V和SIA与表面相互作用的长时间尺度的OKMC模拟
  •   4.4 本章小结
  • 第五章 钨表面空位和间隙原子团簇对表面缺陷阱的影响
  •   5.1 模拟计算结果和与表面取向有关的实验现象之间的关系
  •   5.2 表面形貌对表面缺陷阱作用的影响
  •   5.3 本章小结
  • 总结
  • 参考文献
  • 致谢
  • 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果

    • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 郝丛宇

    导师: 刘长松

    关键词: 辐照损伤,表面,偏聚,湮灭

    来源: 中国科学技术大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学

    专业: 物理学

    单位: 中国科学技术大学

    分类号: O53

    总页数: 64

    文件大小: 5452K

    下载量: 56

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