[论文解读] 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

Fusion materials and technologies参考文献 59被引用 7

一句话总结

本研究开发了一种用于铌（Nb）的多体嵌入原子法（EAM）势，以通过分子动力学模拟辐射损伤。结果表明，阈值位移能（TDE）在<100>方向最低（Ed[100] < Ed[111] < Ed[110]），且级联效率较低，点缺陷聚集程度最小；随着温度升高，缺陷生成量和聚集程度显著降低。

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]

研究动机与目标

• 开发一种适用于辐射损伤模拟的可靠多体势，用于铌（Nb）。
• 利用分子动力学方法，确定铌中不同方向的阈值位移能（TDE）。
• 研究在初级反冲原子（PKA）能量高达20 keV时，位移级联的演化及缺陷生成行为。
• 分析温度对级联效率、点缺陷产额及聚集行为的影响。
• 将模型与先前关于钒（V）、钼（Mo）和铌（Nb）的实验及理论结果进行验证。

提出的方法

• 基于实验和理论数据拟合，构建了用于铌的多体嵌入原子法（EAM）势。
• 利用所构建的EAM势进行分子动力学模拟，模拟PKA能量最高达20 keV的位移级联过程。
• 通过分析使原子发生位移所需的最小能量，计算了不同晶向（<100>、<110>、<111>）的阈值位移能（TDE）。
• 在热脉冲阶段，定量分析了缺陷生成、级联效率及点缺陷聚集随时间的演化。
• 通过在不同温度下运行模拟，系统研究了温度对缺陷产额和聚集行为的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 铌中方向依赖的阈值位移能（TDE）是多少？哪个晶向的TDE最低？
• RQ2 在铌中，级联效率如何随初级反冲原子（PKA）能量变化？
• RQ3 在位移级联的热脉冲阶段，点缺陷在多大程度上发生聚集？
• RQ4 随着温度升高，铌中生成的点缺陷数量及其聚集行为如何变化？
• RQ5 所开发的EAM势在多大程度上能准确再现已知的实验和理论结果中关于TDE及缺陷行为的结论？

主要发现

• 阈值位移能（TDE）在<100>方向最低，其顺序为Ed[100] < Ed[111] < Ed[110]。
• 级联效率较低，且可由幂律函数拟合，与先前研究结果一致。
• 在热脉冲阶段结束时仅形成小规模点缺陷簇，表明铌中缺陷聚集程度极低。
• 随着温度升高，生成的点缺陷数量及级联效率略有下降。
• 随着温度升高，聚集点缺陷的比例显著降低，表明高温下缺陷复合过程增强。