[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出了一种新颖的解析表达式，用于估算在0–2 MeV能量范围内中子辐照下石墨烯单层中被位移的原子数量。通过将先前针对重离子和轻带电粒子的模型进行推广，作者推导出一种适用于二维材料的位移截面形式的改进版本，从而能够准确预测石墨烯在中子辐照下的辐射损伤。

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.

研究动机与目标

• 解决在中子辐照下，如石墨烯等二维材料中估算原子位移的适用模型缺乏的问题。
• 将先前为重离子和轻带电粒子开发的模型扩展至中子辐照的情况。
• 提供一个在0至2 MeV中子能量范围内对石墨烯单层有效的数学上一致的表达式。
• 实现对核环境和纳米材料科学中应用的石墨烯辐射损伤的准确预测。

提出的方法

• 将位移截面形式化方法适应于石墨烯的二维特性。
• 在原子位移的动能理论中引入维度降低的影响。
• 采用经过二维系统修改的二体碰撞近似（BCA）框架。
• 基于中子能量、原子质量及位移阈值能量，推导出新的位移原子数量表达式。
• 引入二维晶格特有的态密度和能量传递效率。
• 通过与其它粒子类型的现有模型进行比较，验证其在二维极限下的理论一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何估算在中子辐照下石墨烯单层中的位移原子数量？
• RQ2 为考虑石墨烯的二维特性，对现有位移模型需进行哪些修改？
• RQ3 在0–2 MeV能量范围内，石墨烯的位移截面如何随中子能量变化？
• RQ4 能否将针对重离子和轻带电粒子的模型推广至二维材料中的中子？
• RQ5 维度在决定如石墨烯等二维材料中辐射损伤中的作用是什么？

主要发现

• 所提出的表达式能够在0–2 MeV能量范围内准确估算石墨烯单层在中子辐照下的原子位移数量。
• 该模型成功地将先前针对带电粒子和重离子的公式推广至中子，且在二维极限下保持一致性。
• 推导出的表达式考虑了二维材料在中子撞击下独特的电子和力学响应。
• 该方法为预测暴露于中子环境的石墨烯基器件中的辐射损伤提供了定量框架。
• 该方法通过理论一致性以及与辐射损伤物理中已知物理原理的一致性得到验证。