[論文レビュー] Molecular dynamics simulation of threshold displacement energy and primary damage state in Niobium

De-Ye Lin, Haifeng Song+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 13, 2017

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ひとこと要約

本研究では、分子動力学による放射線損傷シミュレーションを目的として、ニオブium (Nb) の多体埋め込み原子法 (EAM) ポテンシャルを構築した。その結果、臨界移動エネルギー (TDE) は <100> 方向で最小であり、Ed[100] < Ed[111] < Ed[110] の順序を示した。また、カスケード効率は低く、点欠陥の凝集体は最小限に抑えられ、温度上昇に伴い欠陥生成と凝集体形成が顕著に減少した。

ABSTRACT

In this work, a many-body potential of Nb for radiation damage simulation was developed based on EAM, and most of the point defects of Nb can be predicted properly by this potential. By using the constructed potential, the direction-specific threshold displacement energies (TDE) and displacement cascades up to 20 keV of Nb were performed through molecular dynamics simulations. The calculated results of TDE are in good agreement with previous work for V, Mo and experimental measurements. Lowest TDE was found in &lt;100&gt; direction, and local minas of TDE were found in three low-index directions, which has relation: Ed[100]

研究の動機と目的

• 放射線損傷シミュレーションに適した信頼性の高い多体ポテンシャルをニオブium に対して開発すること。
• 分子動力学を用いて、Nb における方向依存臨界移動エネルギー (TDE) を特定すること。
• 主なノックオン原子 (PKA) エネルギーが 20 keV までに及ぶ場合の、欠陥カスケードの進化と欠陥生成を調査すること。
• 温度がカスケード効率、点欠陥収率、凝集体行動に及ぼす影響を分析すること。
• 既存の実験的および理論的結果（V, Mo, Nb について）と照合して、モデルの妥当性を検証すること。

提案手法

• 実験的および理論的データにフィットさせた、ニオブium 用の多体埋め込み原子法 (EAM) ポテンシャルを構築した。
• 構築された EAM ポテンシャルを用いて、PKA エネルギーが 20 keV までに及ぶ欠陥カスケードをシミュレートするための分子動力学シミュレーションを実施した。
• <100>、<110>、<111> の結晶学的方向について、原子を移動させるために必要な最小エネルギーを分析することで、臨界移動エネルギー (TDE) を計算した。
• 熱スパイト期における欠陥生成、カスケード効率、および点欠陥の凝集体の時間的変化を定量的に評価した。
• 温度の影響を評価するために、さまざまな温度でシミュレーションを実行し、欠陥収率および凝集体への影響を体系的に調査した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ニオブium における方向依存臨界移動エネルギー (TDE) は何か？ また、どの結晶学的方向が最小の TDE を示すか？
• RQ2 ニオブium におけるカスケード効率は、主なノックオン原子 (PKA) エネルギーにどのように依存するか？
• RQ3 欠陥カスケードの熱スパイト期に、点欠陥がどの程度凝集体を形成するか？
• RQ4 温度上昇に伴い、生成される点欠陥の数およびその凝集体形成はどのように変化するか？
• RQ5 開発された EAM ポテンシャルは、既知の実験的および理論的結果（TDE および欠陥挙動について）をどの程度正確に再現できるか？

主な発見

• 臨界移動エネルギー (TDE) は <100> 方向で最小であり、Ed[100] < Ed[111] < Ed[110] の順序を示した。
• カスケード効率は低く、累乗則関数でフィット可能であり、先行研究と整合的であった。
• 熱スパイトの終了時点で、点欠陥の小さな凝集体しか形成されず、Nb における凝集体は最小限に抑えられていた。
• 温度が上昇するにつれて、生成される点欠陥の数およびカスケード効率はわずかに減少した。
• 温度上昇に伴い、凝集体化した点欠陥の割合がより顕著に減少したため、高温域では再結合が促進されていることが示唆された。