[論文レビュー] An expression for estimating the number of atoms displaced during the irradiation of monolayer graphene with neutrons

Daniel Codorniú Pujals, Armando Bermúdez-Martínez|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 2012

Graphene research and applications参考文献 3被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、0–2 MeVエネルギー範囲のニュートロン線照射下におけるモノレイヤーグラフェン内の原子の損傷数を推定するための新規な解析的表現を提示する。先行研究の重イオンおよび軽い荷電粒子向けのモデルを一般化することで、2次元材料に適応した修正版の損傷断面積形式を導出し、ニュートロン線照射下におけるグラフェンの放射線損傷を正確に予測可能にする。

ABSTRACT

The existing mathematical expressions, used to evaluate the number of atoms displaced by particle irradiation of materials, are not applicable to 2D structures like graphene. In a previous work (J. Radioanal. Nucl.Chem, 2011, 289,1, 167- 172) a model was developed for performing such evaluations in the case of graphene irradiated with heavy ions and with light charged particles. In the present paper we report the generalization of the model to the graphene irradiated with neutrons in the energy range 0- 2 MeV.

研究の動機と目的

• グラフェンのような2次元材料におけるニュートロン線照射下の原子損傷を推定するための適用可能なモデルの不足に対処すること。
• 重イオンおよび軽い荷電粒子向けに事前に開発されたモデルをニュートロン線照射の状況に拡張すること。
• モノレイヤーグラフェンにおいて0–2 MeVのニュートロンエネルギー範囲で有効である数学的に整合性のある式を提供すること。
• 核環境およびナノ材料科学分野におけるアプリケーションを想定し、グラフェンの放射線損傷を正確に予測可能にするための基盤を提供すること。

提案手法

• グラフェンの二次元的性質を反映させるために、損傷断面積形式の適応。
• 原子損傷の運動論理論に次元の低下を組み込む。
• 2次元系に修正された二体衝突近似（BCA）フレームワークの使用。
• ニュートロンエネルギー、原子質量、損傷閾値エネルギーに基づく、損傷原子数の新しい式の導出。
• 2次元格子に特有の状態密度およびエネルギー移動効率の組み込み。
• 他の粒子種別に対する既存モデルとの比較による妥当性の検証；2次元極限における一貫性を確認。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 モノレイヤーグラフェンにおけるニュートロン線照射下での損傷原子数は、どのように推定できるか？
• RQ2 グラフェンの2次元的性質を考慮するために、既存の損傷モデルにどのような修正が必要か？
• RQ3 グラフェンにおいて、0–2 MeVの範囲でニュートロンエネルギーに応じて損傷断面積はどのように変化するか？
• RQ4 重イオンおよび軽い荷電粒子向けのモデルを2次元材料におけるニュートロンに一般化できるか？
• RQ5 次元性は、グラフェンのような2次元材料における放射線損傷の決定要因として果たす役割は何か？

主な発見

• 提案された式により、0–2 MeVのエネルギー範囲におけるニュートロン線照射下でのモノレイヤーグラフェン内の原子損傷数の正確な推定が可能となった。
• モデルは、荷電粒子および重イオン向けに先行して開発された形式をニュートロンにまで拡張し、2次元極限においても一貫性を保った。
• 導出された式は、2次元材料がニュートロン衝突に対して示す特異な電子的および機械的応答を適切に反映している。
• グラフェンベースのデバイスがニュートロン環境にさらされた場合の放射線損傷予測の定量的フレームワークを提供する。
• 理論的整合性および放射線損傷物理学における既知の物理的原則との整合性から、アプローチの妥当性が検証された。