[论文解读] Radiation damage and recovery of crystals:Frenkel vs. Schottky defect production

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

Intermetallics and Advanced Alloy Properties参考文献 34被引用 5

一句话总结

本文提出了一种改进的速率理论，考虑了在扩展缺陷处由辐射诱导形成的肖特基缺陷，从而抵消传统基于弗伦克尔对的晶体损伤与恢复机制。该模型通过强调肖特基缺陷的贡献，解释了辐照蠕变、空位团簇退火以及空位有序化现象，为在辐照过程中同时发生的缺陷生成所掩盖的恢复过程提供了统一的理论框架。

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.

研究动机与目标

• 解决传统速率理论在解释晶体辐照损伤恢复方面存在的局限性。
• 研究在晶体本体中弗伦克尔对生成的同时，扩展缺陷处肖特基缺陷形成如何与之竞争。
• 提供一个理论框架，以解释辐照蠕变和空位团簇退火等关键技术现象。
• 阐明辐射诱导缺陷生成机制在通常被持续缺陷生成所掩盖的恢复过程中的作用。
• 通过将肖特基缺陷贡献整合进速率理论模型，统一理解辐照材料中的缺陷动力学。

提出的方法

• 对传统速率理论进行修改，以包含在表面、晶界和位错等扩展缺陷处由辐射诱导形成的肖特基缺陷形成。
• 引入一种动力学模型，同时考虑晶体本体中弗伦克尔对的生成以及缺陷位点处肖特基缺陷的产生。
• 将改进后的理论应用于预测辐照下缺陷的演化，尤其聚焦于恢复过程。
• 利用该模型分析和模拟辐照材料中辐照蠕变、空位团簇退火及有序化等现象。
• 整合缺陷迁移与复合动力学，强调弗伦克尔与肖特基机制之间的竞争。
• 通过已知的实验观测结果对模型进行验证，包括缺陷恢复和辐照下材料性能退化。

实验结果

研究问题

• RQ1 在扩展缺陷处形成的肖特基缺陷如何影响辐照损伤晶体的恢复？
• RQ2 在辐照过程中，肖特基缺陷形成与弗伦克尔对生成在决定缺陷演化方面各自贡献如何？
• RQ3 改进的速率理论如何解释辐照材料中的辐照蠕变？
• RQ4 肖特基缺陷形成如何促进辐照诱导空位团簇的退火？
• RQ5 辐照晶体中空位有序化的机制是什么？它们与肖特基缺陷动力学有何关联？

主要发现

• 改进的速率理论通过在扩展缺陷处引入肖特基缺陷贡献，成功解释了辐照蠕变等恢复现象。
• 在扩展缺陷处形成的肖特基缺陷可作为弗伦克尔对生成的平衡机制，促进缺陷复合与材料恢复。
• 该模型通过表明肖特基缺陷有助于将间隙原子和空位从空位区域移除，从而解释了空位团簇的退火过程。
• 空位有序化由肖特基缺陷的各向异性迁移与复合所解释，导致周期性缺陷结构的形成。
• 该理论通过识别肖特基机制作为主导恢复路径，解决了尽管持续生成缺陷但恢复仍能发生的悖论。
• 该框架为辐照材料中实验观测到的缺陷动力学提供了连贯一致的解释，尤其在核反应堆环境中的材料表现尤为显著。