[논문 리뷰] Radiation damage and recovery of crystals:Frenkel vs. Schottky defect production

V.I. Dubinko|arXiv (Cornell University)|2014. 06. 17.

Intermetallics and Advanced Alloy Properties참고 문헌 34인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 고체 손상과 복구 과정에서 전통적인 Frenkel 쌍 기반 메커니즘을 상쇄시키기 위해 확장된 결함에서 방사선 유도 Schottky 결함 형성을 고려한 수정된 비율 이론을 제안한다. 이 모델은 방사선 찌그러짐, 공극 열처리 및 공극 정렬 현상을 설명하며, Schottky 결함 기여를 강조함으로써 방사선 중 동시 발생하는 결함 생성으로 인해 가려진 복구 과정을 통합적으로 이해할 수 있는 프레임워크를 제공한다.

ABSTRACT

A majority of radiation effects studies are connected with creation of radiation-induced defects in the crystal bulk, which causes the observed degradation of material properties. The main objective of this chapter is to describe the mechanisms of recovery from radiation damage, which operate during irradiation but are usually obscured by the concurrent process of defect creation. Accordingly, the conventional rate theory is modified with account of radiation-induced Schottky defect formation at extended defects, which often acts against the mechanisms based on the Frenkel pair production in the crystal bulk. The theory is applied for the description of technologically and fundamentally important phenomena such as irradiation creep, radiation-induced void annealing and the void ordering.

연구 동기 및 목표

• 결정체에서 방사선 손상 복구를 설명하는 데 있어 전통적인 비율 이론의 한계를 해결하기 위해.
• 확장된 결함에서의 Schottky 결함 형성이 결정체 본체에서의 Frenkel 쌍 생성과 어떻게 경쟁하는지 조사하기 위해.
• 방사선 찌그러짐 및 공극 열처리와 같은 기술적으로 중요한 현상을 설명하는 이론적 프레임워크를 제공하기 위해.
• 지속적인 결함 생성으로 인해 일반적으로 가려지는 복구 과정에서 방사선 유도 결함 형성 메커니즘의 역할을 명확히 하기 위해.
• Schottky 결함 기여를 비율 이론 모델에 통합하여, 방사선 조사된 물질 내의 결함 역학을 통합적으로 이해하기 위해.

제안 방법

• 표면, 결정립 경계, 비틀림 결함 등의 확장된 결함에서 방사선 유도 Schottky 결함 형성을 포함하도록 전통적인 비율 이론을 수정한다.
• 결정체 본체에서의 Frenkel 쌍 생성과 결함 부위에서의 Schottky 결함 생성을 모두 고려하는 운동학 모델을 도입한다.
• 수정된 이론을 사용해 방사선 조사 하에서의 결함 진화를 예측하며, 특히 복구 과정에 중점을 둔다.
• 모델을 사용해 방사선 찌그러짐, 공극 열처리 및 방사선 조사된 물질에서의 공극 정렬과 같은 현상을 분석하고 시뮬레이션한다.
• 결함 이동 및 재결합 동역학을 통합하며, Frenkel 및 Schottky 메커니즘 간의 경쟁에 중점을 둔다.
• 방사선 조사 하에서의 결함 복구 및 물성 열화에 대한 알려진 실험 관측 결과와 모델을 대조하여 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 확장된 결함에서 형성된 Schottky 결함은 방사선 손상된 결정체의 복구에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 방사선 조사 중 결함 진화를 결정짓는 데 있어 Schottky 결함 형성과 Frenkel 쌍 생성 간의 상대 기여는 무엇인가?
• RQ3 수정된 비율 이론은 어떻게 방사선 조사된 물질에서의 방사선 찌그러짐을 설명하는가?
• RQ4 Schottky 결함 형성은 방사선 유도 공극의 열처리에 어떻게 기여하는가?
• RQ5 방사선 조사된 결정체에서의 공극 정렬을 지배하는 메커니즘은 무엇이며, 이는 Schottky 결함 역학과 어떻게 관련되어 있는가?

주요 결과

• 수정된 비율 이론은 확장된 결함에서의 Schottky 결함 기여를 통합함으로써 방사선 찌그러짐과 같은 복구 현상을 성공적으로 설명한다.
• 확장된 결함에서의 Schottky 결함 형성은 Frenkel 쌍 생성을 상쇄시키며, 결함 재결합과 물질 복구를 가능하게 한다.
• 모델은 Schottky 결함이 공극 영역에서 이종 및 틈새 결함을 제거하는 데 기여함으로써 공극 열처리를 설명할 수 있다.
• 공극 정렬은 비대칭적인 이동과 재결합을 통해 발생하는 Schottky 결함에 의해 설명되며, 이는 주기적인 결함 구조를 이끈다.
• 지속적인 결함 생성에도 불구하고 복구가 발생하는 역설을 해결하기 위해, Schottky 메커니즘이 주요 복구 경로로 식별됨으로써 이론은 통합적이다.
• 특히 nuclear reactor 환경에서의 실험적으로 관측된 결함 역학을 일관되게 설명할 수 있는 프레임워크를 제공한다.