Modelling of defect formation and evolution in metals and silicon

Visa fullständig post

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN: 978-951-51-2768-6
Titel: Modelling of defect formation and evolution in metals and silicon
Author: Bukonte, Laura
Medarbetare: Helsingfors universitet, matematisk-naturvetenskapliga fakulteten, institutionen för fysik
Nivå: Doktorsavhandling (sammanläggning)
Abstrakt: Defects always exists in a crystal lattice at temperatures above absolute zero. Our knowledge of defect concentration and mobility is crucial, due to their profound influence on the material properties. It has been shown that the presence of light impurities may enhance vacancy formation in many metals and metal alloys. The main reason for this phenomenon, often referred to as the superabundant vacancy formation, is the lowering of the vacancy formation energy due to the impurity trapping. In this thesis a theoretical thermodynamics model has been developed to study the equilibrium vacancy concentrations as a function of impurity concentration and temperature. The diffusion of monovacancies and hydrogen in tungsten is studied due to its relevance to fusion research. The molecular dynamics method has been used to simulate the diffusion of hydrogen and monovacancies in tungsten. The commonly accepted and so far used H diffusion migration barrier is revised and a new analysis method to determine diffusion coefficients that accounts for the random oscillation of atoms around the equilibrium position is presented. The results show the presence of multiple nearest neighbour jumps of monovacancy above 2/3 of the melting temperature of tungsten, that partly explains the upward curvature of Arrhenius diagram of self-diffusion experiments in tungsten. For the first time, the W monovacancy diffusion prefactor is calculated, and found to be unexpectedly high, resulting in a monovacancy diffusion attempt frequency of about 2-3 orders of magnitude higher than the values commonly used. A comparative study between the molecular dynamics and a Monte Carlo method – binary collision approximation has been carried out by simulating the single ion impacts on silicon and tungsten surfaces. The results from both methods are compared and found to be in a good agreement for crystalline structures. However, large discrepancies between the two methods arise for materials that are amorphous or become amorphized during ion irradiation.Kidevirheitä esiintyy aina kidehiloissa absoluuttisen nollapisteen yläpuolella. Kidevirheiden konsentraation ja liikkuvuuden tietäminen on erityisen tärkeää koska ne vaikuttavat voimakkaasti materiaalin ominaisuuksiin. On osoitettu, että kevyiden epäpuhtausatomien läsnäolo voi lisätä vakanssien muodostumista monissa metalleissa ja metalliseoksissa. Tärkein syy tähän ilmiöön, jota kutsutaan usein superabundant vacancy formation, on vakanssin muodostumisenergian pieneneminen kun epäpuhtausatomi loukkuuntuu siiten. Tässä väitöskirjassa on kehitetty teoreettinen termodynaaminen malli jolla tutkitaan vakanssikonsentraatiota tasapainotilanteessa epäpuhtausatomien ja lämpötilan funktiona. Monovakanssien ja vedyn diffuusiota volframissa tutkitaan koska se on fuusiotutkimuksen kannalta relevantti. Molekyylidynamiikkamenetelmää on käytetty simuloimaan vedyn ja monovakanssien diffuusiota volframissa. Yleisesti hyväksyttyä ja käytettyä vedyn migraatiobarrierin arvoa on korjattu ja esitetään uusi analyysimenetelmä jolla voidaan määrittää diffuusiovakio ottamalla huomioon atomien satunnaisvärähtelyt tasapainotilan ympärillä. Tulokset osoittavat, että monovakanssien monikertahypyt yli 2/3 volframin sulamislämpötilan yläpuolella selittävät osittain Arrhenius-kaavion ylöspäin kaarevuuden volframin itsediffuusiokokeissa. Ensimmäistä kertaa lasketaan W monovakanssin diffuusioprefaktori ja havaitaan sen olevan yllättävän suuri, mikä johtaa hyppytaajuuteen joka on noin 2-3 suuruusluokkaa suurempi kuin yleisesti käytetyt arvot. Vertaileva tutkimus molekyylidynamiikan ja Monte Carlo menetelmä -binääri törmäysapproksimaation välillä on suoritettu simuloimalla yksittäisionien törmäystä pii- ja volframipintoihin . Molempien menetelmien tuloksia verrataan ja niiden on todettu olevan yhtenevät kiteisissä rakenteista. Näiden kahden menetelmän välillä on kuitenkin suuria eroja materiaaleissa jotka ovat amorfisia tai tulevat amorfisiksi säteilytyksen aikana.
Permanenta länken (URI): URN:ISBN: 978-951-51-2768-6
http://hdl.handle.net/10138/200395
Datum: 2017-07-22
Subject:
Rights: Publikationen är skyddad av upphovsrätten. Den får läsas och skrivas ut för personligt bruk. Användning i kommersiellt syfte är förbjuden.


Filer under denna titel

Total number of downloads: Loading...

Filer Storlek Format Granska
Modellin.pdf 707.4Kb PDF Granska/Öppna

Detta dokument registreras i samling:

Visa fullständig post