[논문 리뷰] Molecular dynamics simulation of threshold displacement energy and primary damage state in Niobium

De-Ye Lin, Haifeng Song외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 02. 13.

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한 줄 요약

이 연구는 분자역학를 통해 방사선 손상 시뮬레이션을 위한 니오브늄(Nb)에 대한 다체장 임베디드-원자 방법(EAM) 포텐셜을 개발한다. 그 결과, 임계 이송 에너지(TDE)는 <100> 방향에서 가장 낮으며, Ed[100] < Ed[111] < Ed[110]의 순서를 보이며, 이완 상태에서의 결함 생성과 집합 현상이 매우 적다. 또한 온도가 상승할수록 결함 생성과 집합 현상이 더 뚜렷하게 감소함을 확인하였다.

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]

연구 동기 및 목표

• 방사선 손상 시뮬레이션에 적합한 신뢰할 수 있는 다체장 포텐셜을 니오브늄(Nb)에 대해 개발하는 것.
• 분자역학를 이용하여 Nb에서 방향별 임계 이송 에너지(TDE)를 결정하는 것.
• 최대 20 keV의 주요 이격 원자(PKA) 에너지까지의 이격 캐스케이드 및 결함 생성의 진화를 조사하는 것.
• 온도가 캐스케이드 효율성, 점결함 수확량 및 집합 행동에 미치는 영향을 분석하는 것.
• 기존의 실험 및 이론적 결과(과도, 모리브덴, 니오브늄)와의 비교를 통해 모델의 타당성을 검증하는 것.

제안 방법

• 실험 및 이론적 자료에 기반하여 니오브늄에 대한 다체장 임베디드-원자 방법(EAM) 포텐셜을 개발하였다.
• 개발된 EAM 포텐셜을 사용하여 최대 20 keV의 PKA 에너지를 가진 이격 캐스케이드를 시뮬레이션하기 위해 분자역학 시뮬레이션을 수행하였다.
• <100>, <110>, <111> 결정학적 방향에 대해 최소 이동 에너지를 분석하여 임계 이송 에너지(TDE)를 계산하였다.
• 열 스파이크 단계 동안 시간이 지남에 따라 결함 생성, 캐스케이드 효율성 및 점결함의 집합 행동을 정량화하였다.
• 온도 영향을 체계적으로 분석하기 위해 다양한 온도에서 시뮬레이션을 수행하여 결함 수확량 및 집합 행동에 미치는 영향을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 니오브늄에서 방향에 따라 달라지는 임계 이송 에너지(TDE)는 어떻게 되며, 어느 결정학적 방향에서 TDE가 가장 낮은가?
• RQ2 니오브늄에서 주요 이격 원자(PKA) 에너지가 증가함에 따라 캐스케이드 효율성은 어떻게 변화하는가?
• RQ3 이격 캐스케이드의 열 스파이크 단계 동안 점결함은 어느 정도의 크기로 집합되는가?
• RQ4 온도가 상승함에 따라 생성된 점결함의 수와 그들의 집합 행동은 어떻게 변화하는가?
• RQ5 개발된 EAM 포텐셜은 기존의 실험 및 이론적 결과에 비해 TDE 및 결함 행동을 얼마나 잘 재현하는가?

주요 결과

• 임계 이송 에너지(TDE)는 <100> 방향에서 가장 낮으며, 순서는 Ed[100] < Ed[111] < Ed[110]이다.
• 캐스케이드 효율성은 낮고, 이는 이전 연구와 일치하는 거듭제곱 함수로 적합 가능하다.
• 열 스파이크의 끝에 도달했을 때 점결함의 소규모 집합만 형성되며, 이는 Nb에서의 집합 행동이 매우 미미함을 시사한다.
• 온도가 상승할수록 생성된 점결함의 수와 캐스케이드 효율성이 약간 감소한다.
• 온도가 상승할수록 집합된 점결함의 비율이 더 뚜렷하게 감소하여 고온에서의 재결합 능력 향상이 확인된다.