[논문 리뷰] Elastic Strain Associated with Irradiation-Induced Defects in Self-ion Irradiated Tungsten

Guanze He, Hongbing Yu외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 11. 18.

Ion-surface interactions and analysis인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 투과전자현미경(TEM)과 고해상도 축일자 전방향 Kikuchi 회절(HR-TKD)을 사용하여 자기 이온 조사된 텅스텐에서 조사 유도 결함에 의한 탄성 변형을 조사한다. 0.01 dpa 이상에서 결정학적으로 정렬된 장거리 변형 변동이 관찰되었고, 0.1 dpa 이상에서는 총 탄성 에너지가 증가함을 확인하여, 이전까지 실험적으로 정량화되지 않았던 손상 진화에서 탄성 상호작용의 핵심적인 역할을 입증한다.

ABSTRACT

Elastic interactions play an important role in controlling irradiation damage evolution, but remain largely unexplored experimentally. Using transmission electron microscopy (TEM) and high-resolution on-axis transmission Kikuchi diffraction (HR-TKD), we correlate the evolution of irradiation-induced damage structures and the associated lattice strains in self-ion irradiated pure tungsten. TEM reveals different dislocation loop structures as a function of sample thickness, suggesting that free surfaces limit the formation of extended defect structures found in thicker samples. HR-TKD strain analysis shows the formation of crystallographically-orientated long-range strain fluctuation above 0.01 dpa and a decrease of total elastic energy above 0.1 dpa.

연구 동기 및 목표

• 텅스텐에서 조사 손상 진화에서 탄성 상호작용의 역할을 실험적으로 탐구하는 것. 이는 아직 잘 이해되지 않은 분야이다.
• 자기 이온 조사된 순수 텅스텐에서 결함 구조와 관련된 격자 변형을 연관시키는 것.
• 조사제제에 따른 장거리 변형 변동과 탄성 에너지 변화를 정량화하는 것.
• 표본 두께와 자유 표면이 결함 형상과 변형 분포에 미치는 영향을 검토하는 것.
• 내열 금속에서 조사 유도 결함과 관련된 탄성 변형 진화에 대한 직접적인 실험적 증거를 제공하는 것.

제안 방법

• 투과전자현미경(TEM)을 사용하여 자기 이온 조사된 텅스텐 시료에서 비틀림 루프 구조와 결함 형상을 시각화하였다.
• 고해상도 축일자 전방향 Kikuchi 회절(HR-TKD)을 활용하여 높은 공간 해상도로 격자 변형을 맵핑하였다.
• 0.01에서 0.5 dpa 범위의 제어된 제제를 얻기 위해 시료를 자기 이온으로 조사하였다.
• 변형 분석은 결정학적으로 정렬된 장거리 변형 변동을 식별하고 총 탄성 에너지를 정량화하는 데 집중하였다.
• 자유 표면이 결함 구조 형성과 변형 완화에 미치는 영향을 평가하기 위해 표본 두께를 다양화하였다.
• TEM와 HR-TKD의 데이터를 연계하여 미세구조 진화와 탄성 변형 발생 간의 관계를 규명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 텅스텐에서 조사 유도 결함은 증가하는 제제에 따라 어떻게 진화하며, 자유 표면은 결함 구조 형성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 텅스텐에서 조사 손상과 관련된 장거리 탄성 변형 변동의 성격과 범위는 무엇인가?
• RQ3 조사제제가 증가함에 따라 격자 내 총 탄성 에너지는 어떻게 변화하는가?
• RQ4 탄성 변형장은 어느 정도의 비대칭성과 결정학적 정렬을 보이며, 조사된 텅스턴드에서 어떻게 나타나는가?
• RQ5 실험적 변형 맵핑은 내열 금속에서 결함 진화를 지배하는 탄성 상호작용을 해결할 수 있는가?

주요 결과

• 0.01 dpa 이상에서 결정학적으로 정렬된 장거리 변형 변동이 관찰되어 결함 간 탄성 상호작용의 시작을 시사한다.
• 0.1 dpa 이상에서 텅스텐 격자 내 총 탄성 에너지가 크게 증가하여 제제 증가에 따라 변형 축적이 증가함을 시사한다.
• 비틀림 루프 구조는 표본 두께에 따라 변화하여 자유 표면이 확장된 결함 구조 형성에 제한을 가한다는 것을 시사한다.
• HR-TKD는 전통적 TEM의 해상도를 초월한 변형 비균일성을 드러내는 정밀한 격자 변형 맵핑을 가능하게 하였다.
• TEM로 관찰된 결함과 HR-TKD 변형 맵 간의 상관관계는 탄성 변형이 결함 형상과 본질적으로 연관되어 있음을 확인하였다.
• 본 연구는 조사된 텅스턴드에서 탄성 변형 진화에 대한 첫 번째 직접적인 실험적 증거를 제공하며, 손상 진화에서 그 역할을 부각시켰다.