Evolution of Irradiation-Induced Defect Landscape through Edge Dislocation and Vacancy Loop Interactions in Tungsten
Indian Institute of Science（印度科学研究所）
本文通过分子动力学模拟研究钨中位错与空位环的相互作用，明确其演化机制，建立原子级障碍强度向介观本构参数的转化框架，为提升聚变堆材料辐照硬化预测能力提供物理基础。
2026-09-30 cond-mat.mtrl-sci
Elastic trapping of dislocation loops in cascades in ion-irradiated tungsten foils
用透射电子显微镜（TEM）原位观察了超高纯钨箔在极低注量的自离子辐照下形成的纳米级位错环。TEM图像的分析已经揭示了最大的环主要是棱柱1/2<111>型和空位特征。这种位错环的形成是令人惊讶的，因为孤立的环被预期是高度可移动的，并且应该从箔逃逸。在这项工作中，我们表明，所观察到的大小和数量密度的循环可以解释的事实，即循环是_不_孤立的-在级联中形成的紧密接近的循环相互作用，并与空位簇，也形成在级联中，通过远程弹性场，这防止了从箔环的逃逸。我们发现，实验观察很好地再现了对象的动态蒙特卡罗模拟的级联的演变_只有_如果考虑到之间的弹性相互作用的环路。我们的分析突出了缺陷之间的弹性相互作用对辐照材料的微观结构演变的深刻影响。
2014-02-04 cond-mat.mtrl-sci
Displacement cascades and defects annealing in tungsten, Part II: Object kinetic Monte Carlo Simulation of Tungsten Cascade Aging
我们描述的目标动力学蒙特卡罗（OKMC）模拟的结果退火的初级级联损伤在体钨使用一个全面的数据库级联从分子动力学[1]作为一个功能的初级撞击原子（PKA）的能量和方向，温度为300，1025和2050 K。SIA聚集的增加，但随着温度的变化，结合不同的迁移率的SIA与空位的空位聚集减少，导致级联退火，这是一个有趣的温度效应，这是完全不同的，从人们所期望的。退火效率（退火前后缺陷数之比）随温度变化呈倒U型曲线。此外，我们还将描述我们新开发的OKMC程序的功能; KSOME（微观结构演化动力学模拟）用于执行这些模拟
2014-04-21 cond-mat.mtrl-sci
Multiscale modeling of plastic deformation of molybdenum and tungsten: II. Yield criterion for single crystals based on atomistic studies of glide of 1/2<111> screw dislocations
基于第一部分中提出的原子论研究，我们开发了单晶的分析屈服准则，该准则捕获了位错滑移所需的剪切应力（Peierls应力）上的剪应力而不是Schmid应力（非滑移应力）的影响。这些屈服准则表征了非关联塑性流动，其起源于1/2<111>螺旋位错对施加的应力张量的复杂响应。采用这些标准，我们确定的操作滑动系统的拉伸/压缩载荷沿不同的轴在标准的赤平三角形，并确定随后的拉压不对称。这一结果是在一个很好的定性协议与现有的实验数据。此外，使用构建的屈服准则内的泰勒均匀化过程中，我们表明，与非平面的螺旋位错的核心持续在随机多晶体的影响。这影响显着的关键现象，如剪切局部化，这是通过分析韧性塑性固体中的空穴证明。
2008-07-16 cond-mat.mtrl-sci
Atomistic Study of Irradiation-Induced Plastic and Lattice Strain in Tungsten
本研究提出一种从原子模拟快照分解弹塑性变形的方法，通过分子动力学模拟揭示了钨在辐照下塑性应变与晶格应变的转化机制，发现棱柱位错环聚集引发位错蠕变与晶格膨胀，并将塑性转变分为纯滑移和伴随膨胀的滑移两类。
2023-10-19 cond-mat.mtrl-sci
Accuracy and transferability of GAP models for tungsten
我们介绍了钨在体心立方晶相及其缺陷的高斯近似势（GAP）的框架内，安装到数据库的第一性原理密度泛函理论（DFT）的计算。我们调查的性能的一系列模型的基础上增加覆盖范围的配置空间的数据库，并展示我们的策略，选择有代表性的小单位细胞的训练模型，预测性能只能观察到使用数千个原子。最全面的模型，然后被用来计算螺旋位错的属性，包括它的结构，Peierls势垒和能量的空位位错相互作用。所有软件和原始数据均可在www.libatoms.org上查阅。
2014-08-28 cond-mat.mtrl-sci
Dislocation Pinning in Helium-Implanted Tungsten: A Molecular Dynamics Study
本文利用分子动力学模拟钨中刃位错与He2V-SIA缺陷团簇的相互作用，揭示了团簇尺寸相关的钉扎及脱钉清除机制，所得硬化力与晶体塑性模型吻合。
2023-04-27 cond-mat.mtrl-sci physics.atm-clus
Effect of twin boundaries on the strength of body-centered cubic tungsten nanowires
孪晶界（TB）被认为是位错运动的障碍，并增加金属的强度。在这里，我们报告了TB降低体心立方（BCC）钨（W）强度的异常现象。采用化学气相沉积法制备了无位错、具有（121）孪晶面的[1-11]取向W纳米线。在原位拉伸测试内的透射电子显微镜进行单晶和孪生W纳米线。孪晶W纳米线的断裂强度为13.7 GPa，比单晶W纳米线的断裂强度（16.3 GPa）低16%。结合原子分辨率表征和原子模拟揭示了TB的弱化机制。孪晶W纳米线失败的早期成核的裂纹在TB与表面的交叉点。由于W中的高Peierls势垒和层错能阻碍了位错的形核和滑移，因此位错/TB相互作用的标准强化机制在W中不起作用。这些研究结果提供了一个新的洞察TB的BCC金属的力学性能的影响。
2022-08-27 cond-mat.mtrl-sci
Surface-mediated reduction of ion-irradiation-induced damage in tungsten revealed by advanced ion channeling analysis
Shenzhen University（深圳大学）；University of Helsinki（赫尔辛基大学）；Jožef Stefan Institute (JSI)（约瑟夫·斯蒂芬研究所）
研究针对未来聚变反应堆钨材料，结合先进离子通道分析与分子动力学模拟，揭示高温下单晶钨表面介导的辐射损伤减少现象，明确无位错区和过渡区，还给出强表面效应的可能解释。
2026-07-09 cond-mat.mtrl-sci
First principles interatomic potential for tungsten based on Gaussian process regression
原子相互作用的精确描述，如由第一原理量子力学提供的描述，是现实预测金属塑性、断裂或裂纹扩展特性的基础。然而，与明确基于量子力学的现代方案相关联的计算复杂性限制了它们的应用至多几百个原子的系统。本论文研究了Gaussian Approximation Potential（GAP）方法在钨原子模型中的应用。钨是一种体心立方过渡金属，具有脆韧转变，其塑性行为受$\frac{1}{2} \langle 111 \rangle$螺型位错的性质控制。我们应用高斯过程回归法，从原子组态空间中的一组点插值得到量子力学（QM）势能面。我们的训练数据是基于直接使用密度泛函理论（DFT）计算的QM信息。为了进行拟合，我们使用一组旋转，置换和反射不变参数来表示原子环境，这些参数在我们的非参数，非线性回归方程中充当自变量。我们开发了一个协议，用于生成GAP模型能够描述金属中的晶格缺陷，通过建立一系列的钨原子间势。然后，我们证明了一个基于原子位置的平滑重叠（SOAP）的协方差函数的间隙电位提供了一个描述的$\frac{1}{2} \langle 111 \rangle$螺钉位错，这是在协议与DFT模型。我们使用这种潜力来模拟的$\frac{1}{2} \langle 111 \rangle$螺旋位错的移动性，通过计算Peierls势垒和模型位错-空位相互作用，以QM精度在一个系统中包含超过100，000个原子…
2014-03-13 cond-mat.mtrl-sci
Atomistic Indicators of the Ductile-to-Brittle Transition in Polycrystalline Tungsten: Temperature and Rhenium Effects on Crack-Tip Plasticity
Merrimack College（梅里马克学院）
该研究通过分子动力学模拟，探究温度和铼含量对多晶钨裂纹尖端塑性的影响，揭示了高应变速率下韧脆转变的原子级指标，为理解体心立方金属的断裂行为提供了依据。
2026-08-31 cond-mat.mtrl-sci
Micropillar compression of single crystal tungsten carbide, Part 2: Lattice rotation axis to identify deformation slip mechanisms
碳化钨在室温和高温下的塑性形变机制影响着WC-Co硬质合金复合材料的磨损和断裂性能。残余缺陷结构（包括滑移位错和固着位错以及层错）与产生滑移痕迹的滑移变形活动之间的关系尚不清楚。该研究的第1部分表明，{10-10}是所有测量温度和取向下的主滑移面，但基面上的次级滑移在600 °C下被激活，这表明<a>位错可以在600 °C下交叉滑移到基面上。在本工作中，第2部分，变形WC微柱中间部分的晶格旋转轴分析用于区分<a>WC中的棱柱滑移和多个<c+a>棱柱滑移，这使得能够区分导致塑性滑移的位错类型，独立于TEM残余缺陷分析。棱柱取向的微柱在室温下主要通过多个<c+a>棱柱滑移变形，但<a>在600 °C下通过棱柱滑移变形。在600 °C下，近基部取向的支柱中的变形可以被建模为<c>沿压头面和支柱基部约束的棱柱滑动。在<a>支柱顶部附近观察到的二次基底滑移被激活，以保持与压头面的变形相容性。晶格旋转，屈曲柱的形状，力学数据，并在柱中观察到的滑动痕迹都符合这个模型。
2021-11-04 cond-mat.mtrl-sci
Changes in Dislocation Punching Behavior Due to Hydrogen-Seeded Helium Bubble Growth in Tungsten
本文通过分子动力学模拟研究了钨中 He-H 混合气泡的生长行为，发现 H 的引入使位错类型从可滑移的 1/2<111> 转变为不动的 <100>，从而可能显著减少钨表面形貌损伤并影响 H 的捕获。
2024-07-08 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Ab initio based empirical potential applied to tungsten at high pressure
密度泛函理论力、应力和能量包括一个数据库，从该数据库中确定结合Stillinger-Weber和修改的嵌入原子形式的基于样条的经验势的最佳参数。的潜力的准确性证明了理想的剪切，堆垛层错，空位迁移，弹性常数和声子之间的0和100 GPa的预测。与现有的模型和实验的一致性证明了应用程序的螺旋位错核心结构和变形孪晶在钨纳米棒。最后，利用该势研究了高压下bcc到fcc的相变。
2017-02-15 cond-mat.mtrl-sci
Comparative study on radiation resistance of WTaCrV high-entropy alloy and tungsten in helium-containing conditions
本研究通过分子动力学模拟发现，WTaCrV高熵合金在含氦和级联重叠条件下比纯钨具有更强的抗辐照性能，有效抑制位错环和间隙原子团簇形成，主要贡献为聚变堆等离子体面对材料的抗辐照机制提供了新见解。
2025-01-05 cond-mat.mtrl-sci
Displacement cascades and defects annealing in tungsten, Part I: defect database from molecular dynamics simulations
分子动力学模拟已被用来产生一个全面的数据库的幸存缺陷，由于在散装钨位移级联。在300 K、1025 K和2050 K下完成了初级撞击原子（PKA）能量从100 eV（亚阈值能量）到100 keV（$\sim$ 780 $\times E_d$，其中$E_d$是平均位移阈值能量）的21个数据点。在这个范围内的PKA能量，两个制度的幂律能量依赖的缺陷生产进行观察。一个独特的幂律指数的特点是在每个政权内产生的弗伦克尔对的数量。这两个区域在跃迁能处相交，跃迁能大约为250 $\times E_d$。跃迁能量也标志着大的自填隙原子（SIAs）簇（尺寸14或更大）形成的开始。所观察到的缺陷聚集行为是不对称的，随着温度的升高，SIA聚集增加，而空位聚集减少。这种不对称性随着温度的增加，使得在2050 K（$\sim 0.5 T_m$）几乎没有大的空位团簇形成，同时大SIA团簇出现在所有的模拟。这种不对称性的长期缺陷生存和损伤积累的影响进行了讨论。此外，观察到罕见的$<$ 100 $>$ {110} SIA环。
2014-04-25 cond-mat.mtrl-sci
Collision Cascade Morphology and Defect Nucleation in Pure Tungsten and an Equimolar Refractory W-Ta-Cr-V Alloy
National Centre for Nuclear Research（国家核研究中心）
通过分子动力学模拟对比纯W与WTaCrV合金的碰撞级联，发现WTaCrV因更频繁的级联分裂及轻元素Cr、V的损伤容纳作用，辐照损伤抗性优于纯W。
2026-10-15 cond-mat.mtrl-sci
Mapping the full lattice strain tensor of a single dislocation by High Angular Resolution Transmission Kikuchi Diffraction (HR-TKD)
利用高分辨率透射菊池衍射（HR-TKD）在扫描电子显微镜（SEM）上绘制了纯钨中位错引起的全晶格应变张量和晶格旋转。的HR-TKD测量同意非常好的前向计算使用弹性各向同性模型的位错及其伯格斯矢量。我们的研究结果表明，HR-TKD在SEM中的空间和角分辨率足够高，以解决个别位错附近的晶格畸变的细节。这种能力开启了许多新的有趣的机会，例如以快速和直接的方式确定未知位错的Burgers矢量。
2018-08-29 cond-mat.mtrl-sci
Elastic Strain Associated with Irradiation-Induced Defects in Self-ion Irradiated Tungsten
弹性相互作用在控制辐照损伤演化中起着重要的作用，但在很大程度上还未被实验研究。利用透射电子显微镜（TEM）和高分辨率轴上透射菊池衍射（HR-TKD），我们关联的演化辐照诱导损伤结构和相关的晶格应变在自离子辐照纯钨。TEM揭示了不同的位错环结构作为样品厚度的函数，这表明自由表面限制了在较厚的样品中发现的扩展缺陷结构的形成。HR-TKD应变分析表明，形成晶体取向的长程应变波动高于0.01 dpa和总弹性能量的减少超过0.1 dpa。
2022-11-18 cond-mat.mtrl-sci
Molecular dynamics simulations of the defect evolution in tungsten on successive collision cascades
本研究使用EAM和机器学习势SNAP模拟钨中连续碰撞级联，发现SNAP势在肿胀和表面缺陷上更符合实验，但预测了大量小固着缺陷。
2024-08-26 cond-mat.mtrl-sci
Statistical Study of the Defect Cluster Morphology in the Primary Damage of Tungsten from Collision Cascades from Five Inter-atomic potentials
本研究采用五种原子间势开展3500次钨碰撞级联分子动力学模拟，统计分析缺陷团簇特征，明确了自间隙原子形成能差异对形貌的关键作用，及多参数耦合对缺陷产生的显著影响。
2025-09-04 cond-mat.mtrl-sci
Multiscale modeling of plastic deformation of molybdenum and tungsten: III. Effects of temperature and plastic strain rate
在本文中，我们开发的1/2<111>螺旋位错在0 K和热激活运动的位错通过成核对扭结的滑移的原子级建模之间的联系。为此目的，我们引入了一个假设的Peierls障碍，再现所有方面的位错滑移在0 K的复杂响应非滑移应力，并表示在一个紧凑的形式，在第二部分先进的屈服准则。为了实现这一点，势垒不仅依赖于晶体的对称性和原子间的键合，而且还依赖于所施加的应力张量。然后采用标准模型来评估扭结对形成的激活焓，该激活焓现在也是完全施加的应力张量的函数。过渡态理论将这种机制与屈服应力的温度和应变率依赖性联系起来。
2008-07-16 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech
Atomistic simulations of nanoindentation in single crystalline tungsten: The role of interatomic potentials
计算建模通常用于辅助先进材料的实验探索，以更好地理解力学测试过程中的基本塑性机制。在这项工作中，我们进行分子动力学（MD）模拟模拟实验室的球形纳米压痕晶体W矩阵不同的原子间的潜力：EAM，修改的EAM，和最近开发的机器学习基于制表高斯近似势（tabGAP）描述的W-W的相互作用。结果表明，载荷位移和应力-应变曲线之间的相似性，无论数值模型。然而，在弹性到塑性形变转变的早期阶段观察到的差异，显示出不同的机制，位错的形核和演化，这是由于伯格斯矢量大小的差异，堆垛层错和位错滑移能。此外，还考虑了大压头尺寸下的接触压力，对加载过程中的螺位错和刃位错进行了详细的分析。此外，我们还计算了在所有原子间相互作用势下这种位错的滑移势垒，结果表明，tabGAP模型的计算结果与密度泛函理论的计算结果相比是最精确的，并且与已有的实验数据定性一致
2022-12-11 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
3D HR-EBSD characterization of the plastic zone around crack tips in tungsten single crystals at the micron scale
利用高角分辨率电子背散射衍射（HR-EBSD）结合聚焦离子束（FIB）切片技术，对W单晶中的几何必需位错（GNDs）进行了三维表征。通过FIB制造具有缺口的类似尺寸的悬臂，并在不同温度（21 $^{\circ}$ C、100 $^{\circ}$ C和200 $^{\circ}$ C）下在扫描电子显微镜内刚好在微尺度脆韧性转变（BDT）之上变形。进行J积分测试以分析裂纹扩展并确定断裂韧性。在所有三个温度下的塑性区被发现是更大的接近自由表面比试样内部，类似于宏观尺度的拉伸试验。然而，在更高的温度下，塑性区的3D形状从位于裂纹尖端前方变为蝶形分布，从而更有效地屏蔽裂纹尖端并抑制裂纹扩展。比较两个相同变形的样品，这是从两个不同方向的FIB切片，以评估的可靠性的GND密度估计HR-EBSD。Nye张量分量的分布的分析用于区分在样品中成核的GNDs的类型。不同类型的位错在塑性区中的作用进行了讨论，我们证实早期的研究结果，W的微尺度BDT主要是由螺旋位错在裂纹尖端的前面的成核控制。
2020-09-04 cond-mat.mtrl-sci
High-dose long-time defect evolution in tungsten studied by atomistically informed Object Kinetic Monte Carlo simulations
该研究提出将完整 Molecular Dynamics 级联整合到 Object Kinetic Monte Carlo 中的新方法，在钨中实现了准确剂量率与原子级精度，发现完整级联显著影响缺陷浓度与团簇统计，并在不同温度下促进空位团簇或分裂空洞。
2024-09-24 cond-mat.mtrl-sci
Spatial ordering of nano-dislocation loops in ion-irradiated materials
在离子辐照的金属（例如铁或钨）中形成的缺陷微结构通常表现出空间有序的纳米级位错环的图案。我们表明，这种有序的位错环结构可以自发形成的布朗运动的环路，偏置的环之间的角度依赖的弹性相互作用的结果。一旦由离子辐照产生的环的局部密度超过临界阈值，则形成空间有序的环的图案。
2014-07-17 cond-mat.mtrl-sci
Observation of transient and asymptotic driven structural states of tungsten exposed to irradiation
结合空间分辨X射线劳厄衍射与原子尺度的模拟，我们观察到如何离子辐照钨经历了一系列的非线性结构的转变，随着辐照曝光量的增加。纳米尺度的缺陷引起的变形积累超过0.02位移每原子（dpa）导致高度波动的应变在~0.1 dpa，崩溃到一个驱动的准稳态结构状态以上~1 dpa。驱动渐近状态的特点是细分散的空位缺陷共存的扩展的位错网络，并表现出积极的体积膨胀，由于通过自间隙聚结，但负的晶格应变的新的晶面的创建。
2020-10-05 cond-mat.mtrl-sci
Atomistic-Object Kinetic Monte Carlo simulations of irradiation damage in tungsten
我们描述了一个新的对象动力学蒙特卡罗代码的基本缺陷对象的非晶格原子配置的发展。原子级转换用于转换和平移对象，分割对象以及将它们合并在一起。这逐渐构建了一个原子配置的数据库--一组相关的缺陷对象和它们在运行中生成的可能事件。弹性相互作用处理对象内的经验潜力在短距离内，空间不同的对象之间使用偶极张量形式主义。该模型被证明是发展移动间隙簇钨速度比一个等效的分子动力学模拟，即使在高温下。我们将该模型应用于钨中初级辐射损伤的分子动力学模拟产生的复杂缺陷的演化。我们表明，我们可以进化的缺陷结构中形成的级联模拟实验观察到的时间尺度秒，同时保留原子的细节。我们的结论是，级联启动后的前几纳秒的模拟将更好地使用分子动力学，因为这将捕获一些小的高度流动的间隙集群的近温度独立的演变。我们还得出结论，对于20 keV PKA级联退火模拟考虑在这里，内部松弛的无柄对象难以捕获使用传统的对象KMC与理想化的对象几何形状建立的条件，为长时间尺度的演变。
2019-04-08 cond-mat.mtrl-sci
Long-term microstructural evolution of tungsten under heat and neutron loads
在核聚变反应堆中，钨将在高温（>900 C）下暴露于高中子负荷。这些条件下机械性能的演变和退化是不确定的，因此构成了重大风险。在这里，结合热和中子负荷下的钨的微观结构演变进行了研究，使用多尺度的方法，将集群动力学和平均场再结晶模型。平均场再结晶模型包含了体相和晶界的形核。团簇动力学模型包括位错网络动力学中的环作为一种机制。探讨了体形核对微结构演化的影响。模拟预测周期性发生的中子诱导再结晶在所有研究的温度。此外，中子诱导再结晶过程中的辐照硬化的演变进行了评估，从模拟的显微组织。
2019-01-10 cond-mat.mtrl-sci
Non-destructive study of collision cascade damage in self-ion irradiated tungsten using HR-EBSD and ECCI
了解辐射下缺陷的产生和演变是一个长期存在的多尺度问题。传统上，辐照诱导缺陷（IID）的实验检查主要依赖于透射电子显微镜（TEM），它提供了高的空间分辨率，但需要破坏性的样品制备。此外，有限的视场和低应变灵敏度使得多尺度表征和定量应变测量变得困难。在这里，我们探讨了使用先进的扫描电子显微镜（SEM）技术的潜力，非破坏性探针辐照损伤在散装材料的表面。电子沟道衬度成像（ECCI）是用来成像纳米级的辐照引起的缺陷在20 MeV的自离子辐照钨，聚变反应堆装甲的主要候选材料。结果表明，从均匀和随机分布的纳米级缺陷在0.01 dpa（每原子位移）的损伤微观结构的演变，以字符串结构延伸超过数百纳米在1 dpa。基于互相关的高分辨率EBSD（HR-EBSD）是用来探测晶格应变场与IID。虽然在0.01 dpa下几乎没有应变波动，但在0.1 dpa下观察到晶格应变的显着不均匀性，随着剂量的增加而增加，直到在0.32 dpa下饱和。应变起伏的特征长度尺度为~500 nm。总之，ECCI和HR-EBSD揭示了从缺陷无序的结构到由预先存在的缺陷和新的级联损伤之间的弹性相互作用驱动的具有长程序的结构的转变。这项研究表明，扫描电镜提供了一个有吸引力的工具，快速吞吐量，非破坏性，多尺度和多方面的辐射损伤表征。
2020-08-08 cond-mat.mtrl-sci
Primary damage production in the presence of extended defects and growth of vacancy-type dislocation loops in hcp zirconium
长期预测辐射损伤累积模型中的生产率通常被认为与反应堆部件的材料微观结构无关。在这项研究中，预先存在的微观结构元素的影响，在α-锆-反之亦然-的主要损害生产评估的分子动力学（MD）模拟。考虑了a型位错环、c组分位错环和倾斜晶界（GB）。在所有这些微观结构元素的存在下，初级损伤的产生减少，并且聚集行为取决于微观结构。碰撞级联不会导致a型环的增长或收缩，但会导致c成分环的收缩。在GBs存在下的级联产生的空位比空位多。这一结果，以及其他理论，分子动力学和实验证据，证实了空位环将在空位过饱和环境中生长的GB附近。不同的温度依赖性的生长制度被确定。此外，MD揭示了级联诱导的事件，其中a型空位环被GB吸收。铁偏析的循环抑制这种级联诱导的吸收。
2019-03-27 cond-mat.mtrl-sci
Comprehensive study of massively overlapping cascades in common elemental metals
University of Helsinki（赫尔辛基大学）
该研究对21种不同晶格类型的元素金属开展大量重叠级联模拟，发现模拟结果对原子间势选择敏感，明确了不同晶格金属的辐照缺陷结构特征，并探索了饱和缺陷浓度与材料属性的关联。
2026-10-09 cond-mat.mtrl-sci
Thermal diffusivity degradation and point defect density in self-ion implanted tungsten
使用瞬态光栅光谱（TGS），我们测量暴露于不同水平的20 MeV自离子辐照的钨的热扩散率。每原子位移（dpa）低至3.2 x 10^-4的损伤会导致热扩散率显著降低。0.1 dpa及以上的剂量，直至10 dpa，在室温下从原始值降解约55%。使用动力学理论模型，辐射引起的点缺陷的密度估计的基础上测得的变化，作为剂量的函数的热扩散率。这些预测进行了比较，在透射电子显微镜（TEM）中观察到的点缺陷和位错环密度。分子动力学（MD）的预测相结合的TEM观察，以估计与缺陷簇太小，TEM探测的点缺陷的密度。当这些“看不见的”缺陷占，总的点缺陷密度一致，以及从TGS的剂量范围跨越3个数量级的估计。动力学理论模型也被用来估计预期由于TEM可见和不可见的缺陷的热扩散率退化。精细分布的不可见的缺陷似乎发挥更重要的作用，在热扩散率降低比较大的TEM可见位错环。这项工作证明了TGS的能力，结合动力学理论模型，提供快速，定量的洞察缺陷密度和辐照材料的性能演变。
2020-02-04 cond-mat.mtrl-sci
Grain Boundary Defect Production during Successive Displacement Cascades on a Tungsten Surface
Stony Brook University（石溪大学）；University of California Los Angeles（加州大学洛杉矶分校）；Oak Ridge National Laboratory（橡树岭国家实验室）
研究钨在连续位移级联下晶界缺陷产生，用分子动力学模拟含Σ3和Σ5对称倾斜晶界的纳米双晶钨表面情况，发现自由表面、级联重叠及晶界特性影响缺陷积累，揭示晶界结构和晶粒尺寸对控制钨辐射损伤演化的关键作用。
2026-07-17 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Machine-learning interatomic potential for radiation damage and defects in tungsten
我们介绍了一个机器学习的钨原子间势使用高斯近似势框架。我们特别专注于辐射诱导碰撞级联和它们产生的损害，包括一个现实的排斥潜力的短程多体级联动力学和良好的描述液相模拟相关的属性。此外，潜在的准确再现的表面性质和能量的空缺和自填隙集群，这一直是现有的潜力长期存在的不足。该潜力使钨辐射损伤的分子动力学模拟具有前所未有的准确性。
2019-10-23 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Hardening and Strain Localisation in Helium-Ion-Implanted Tungsten
钨是未来聚变反应堆中面向等离子体的装甲部件的主要候选材料。在使用中，聚变中子辐照通过碰撞级联产生晶格缺陷。从等离子体注入的氦通过增加缺陷保留来消除损伤。两者都可以用氦离子注入来模拟。在最近对3000 appm氦注入钨（W-3000 He）的研究中，我们假设氦诱导的辐照硬化，然后在变形过程中软化。该假设是建立在观察到的硬度大幅增加，大量堆积和周围的纳米压痕和劳厄衍射测量的局部变形下的压痕形成滑步。在这里，我们测试这一假设，实现它在晶体塑性有限元（CPFE）制定，在W-3000 He在300 K的纳米压痕模拟。该模型认为热激活位错滑移通过氦缺陷障碍，其障碍强度是作为缺陷浓度和形态的函数。只有一个拟合参数用于模拟氦注入钨：缺陷去除率。模拟捕捉本地化的大堆积非常好，并预测有限的领域的晶格畸变和几何必要的位错下的凹痕同意定量与以前的劳厄测量。应变局部化通过高分辨率电子背散射衍射和透射电子显微镜测量从W-3000 He中的纳米压痕中心的横截面抬出进一步确认。
2019-11-23 cond-mat.mtrl-sci physics.atom-ph
Screw-Dislocation-Driven Growth of Two-Dimensional Few-Layer and Pyramid-Like WSe2 by Sulfur-Assisted Chemical Vapor Deposition
二维层状二硒化钨（WSe 2）材料由于其独特的光电性能和双极性输运特性，近年来引起了人们的广泛关注。然而，由于WSe 2合成中反应物之间的低反应性，2D WSe 2的直接化学气相沉积（CVD）合成不像其他2D材料那样简单。此外，WSe 2在这种CVD过程中的生长机制仍不清楚。在这里，我们报告的观察螺旋位错驱动（SDD）的螺旋生长的2D WSe 2薄片和类似的结构，使用硫辅助CVD方法。通过引入少量的硫作为还原剂，以帮助钨的前体WO 3的硒化，合成了少层和类似于薄片的WSe 2，而不是单层。清晰的观察步骤，螺旋条纹，和人字形轮廓下的原子力显微镜表征揭示了螺旋位错的存在下生长的WSe 2。讨论了WSe 2生长过程中螺位错的产生和扩展机制。在这些2D WSe 2材料上制作了背栅场效应晶体管，其显示出106的开/关电流比和高达44 cm 2/Vs的迁移率。
2014-10-28 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Atomistic Processes of high-temperature plastic deformation of nanoscale body-centered cubic tungsten
该研究开发基于电流诱导焦耳热的原位高温纳米力学测试方法，揭示钨纳米晶体在高温拉伸中依次发生形变孪晶、BCC-FCC-BCC相变和完整位错滑移。
2023-11-08 cond-mat.mtrl-sci
Nano-scale imaging of the full strain tensor of specific dislocations extracted from a bulk sample
晶格缺陷在决定晶体材料的性能方面起着关键作用。探索控制它们相互作用的3D晶格应变仍然是一个挑战。布拉格相干衍射成像（BCDI）允许以纳米级3D分辨率测量应变。然而，它目前仅限于形成微晶的材料。在这里，我们介绍了一种新的技术，允许从散装材料的BCDI样品的制造。使用钨作为一个例子，我们表明，聚焦离子束（FIB）加工可以用来提取，从宏观晶体，微米级的BCDI样品含有特定的预选缺陷。为了解释实验数据，我们开发了一种新的基于位移梯度的多次反射BCDI分析。这允许从包含多个位错的样品中精确地恢复全晶格应变张量。这些新功能为BCDI作为研究复杂现实世界材料的显微镜工具打开了大门。
2019-11-18 cond-mat.mtrl-sci
Atomistic simulations of athermal irradiation creep and swelling of copper and tungsten in the high dose limit
本文通过原子模拟研究铜和钨在高低能辐照下的无热蠕变与肿胀，发现两者呈现相似的各向异性变形，并开发了一种快十倍的高剂量微观结构建模算法。
2024-09-20 cond-mat.mtrl-sci
Stability of <100> Dislocations formed in W Collision Cascades
该研究利用分子动力学数据库与三种原子间势，分析钨中<100>位错的热稳定性、转变机制及影响因素，为更高尺度微观结构演化模型提供支撑。
2022-09-28 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Thermal diffusivity recovery and defect annealing kinetics of self-ion implanted tungsten probed by insitu Transient Grating Spectroscopy
钨是未来聚变反应堆中面向等离子体的装甲部件的有前途的候选材料。一个关键的问题是其通常优异的热传输性能的辐射诱导的退化。在这项全面的研究中，热扩散率退化离子注入钨和它的演变从室温（RT）到1073 K被认为是。五个样品在室温下暴露于20 MeV的自离子，以实现从3.2 × 10-4到3.2位移/原子（dpa）的损伤水平。瞬态光栅光谱与原位加热，然后用于研究作为温度的函数的热扩散率演变。使用动力学理论模型，从测得的热扩散率的等效点缺陷密度估计。结果表明，在450 K和650 K之间的热扩散率的显着恢复，这与单空位迁移率的开始相一致。在1073 K退火后，初始损伤为3.2 × 10-3 dpa或更小的样品恢复接近原始值的热扩散率。另一方面，对于3.2 × 10-2 dpa或更高的剂量，即使在1073 K退火后，热扩散率的残余降低仍然存在。透射电子显微镜显示，这是与延长，辐射诱导的位错结构，退火后保留。灵敏度分析表明，热扩散率提供了一个有效的工具，用于评估总的缺陷含量在钨高达1000 K。
2021-11-15 cond-mat.mtrl-sci
Synergistic coupling in ab initio-machine learning simulations of dislocations
位错的从头算模拟对于建立材料强度的定量模型是必不可少的，但是所需的系统尺寸通常处于或超过现有方法的限制。许多重要的结构，因此在训练或验证的原子间势失踪，而位错缺陷相互作用的研究必须减轻沿线方向的强周期性图像相互作用的影响。我们展示了如何通过在混合模拟中使用线性机器学习潜力来解除这些限制，其中只有一部分原子由从头算力控制。线性形式被利用在一个受约束的再训练过程中，定性地扩大了学习的训练结构的范围，并给出了位错核心结构的精确匹配，使得线可以跨越量子/经典边界。我们应用我们的方法来全三维研究杂质偏聚的边缘和螺旋位错在钨。我们重新训练的潜力系统地提高了QM/ML参考数据的准确性，并且与使用短周期超晶胞的模拟相比，三维几何形状允许长程弛豫，从而定性地改变杂质诱导的核心重建。更一般地说，能够处理任意子区域的大规模模拟从头计算的准确性打开了一个巨大的范围内以前无法访问的扩展缺陷的定量调查。
2021-12-06 cond-mat.mtrl-sci
Relaxation volumes of microscopic and mesoscopic irradiation-induced defects in tungsten
辐射引起的缺陷的低能量结构已被详细研究，因为这些决定了缺陷可以扩散或松弛的可用模式。因此，有许多关于可能的缺陷结构的相对能量的研究，并且经验势通常被拟合到这些能量或相对于这些能量进行评估。但最近[Dudarev et al Nuclear Fusion 2018]，我们已经展示了如何根据辐射诱导缺陷集合的弹性特性来确定辐射下反应堆组件的应力、应变和膨胀。这些弹性性能受到的关注相对较少。在这里，我们评估松弛体积的辐照引起的缺陷在钨计算与经验电位，并比较密度泛函理论的结果可用。不同的经验势给出不同的结果，但可以确定弛豫体积的一些势独立的趋势。我们发现，小缺陷的弛豫体积可以预测到10%以内，从他们的点缺陷计数。对于较大的缺陷，我们提供经验适合作为尺寸的函数的弛豫体积。我们表明，与一个单一的初级损伤级联的弛豫体积可以估计从初级撞击原子（PKA）的能量。我们的结论是，虽然湮灭的空位和填隙性质的缺陷将不可避免地减少总的弛豫体积的级联碎片，经验电位不同意是否合并的缺陷将减少或增加总的弛豫体积。
2018-12-17 cond-mat.mtrl-sci
A stochastic simulation of the dislocation-mediated etching of porous GaN distributed Bragg reflectors
Department of Materials Science, University of Cambridge（剑桥大学材料科学系）
该研究通过随机模拟再现了多孔氮化镓分布式布拉格反射镜电化学蚀刻过程中的级联结构特征，并展示了模拟结果与实验数据的一致性。
2026-02-20 cond-mat.mtrl-sci
Electronic effects in high-energy radiation damage in tungsten
虽然在高能辐射损伤过程中的电子激发的影响目前还不清楚，它表明，它们在辐射与物质的相互作用中的作用是重要的。采用耦合双温分子动力学（2 T-MD）模型对体心立方钨中的高能碰撞级联进行了分子动力学模拟。我们比较了这些影响的组合对诱导的损伤，只有电子停止的影响，并得出结论，在几个新的见解。在2 T-MD模型中，电子-声子耦合导致在熔融区域中产生较少的损伤，并且在短时间内损伤的松弛更快。这两种效果导致在较长时间内的最终损害量显着减少。
2015-02-09 cond-mat.mtrl-sci
Modified deformation behaviour of self-ion irradiated tungsten: A combined nano-indentation, HR-EBSD and crystal plasticity study
预测辐照损伤引起的材料性质的急剧变化是未来核裂变和聚变反应堆设计的关键。自离子注入是一种模拟中子辐照效应的有吸引力的工具。然而，注入样品的损伤层只有几微米厚，使得难以估计宏观性能。在这里，我们使用实验和建模技术相结合来解决这一挑战。我们专注于自离子注入钨，融合装甲组件和原型bcc材料的领跑者。为了捕获剂量依赖性的性质的演变，我们实验性地将样品的损伤水平从0.01 dpa到1 dpa。颗粒的球形纳米压痕<001>显示硬度增加到0.032 dpa的剂量，超过该剂量它饱和。AFM测量显示堆积增加到相同的剂量，超过该剂量，可以看到大的堆积和滑动台阶。基于观察，我们开发了一个晶体塑性（CPFE）模型的辐照材料。它捕获辐照诱导硬化，然后通过辐照缺陷和滑移位错的相互作用的应变软化。辐照缺陷的剪切阻力来自于类似辐照样品的TEM观察。模拟了剂量为0.01，0.1，0.32和1dpa的原始钨和注入钨的纳米压痕。将两个模型参数与0.01 dpa样品的实验结果拟合，并对所有其他剂量保持不变。CPFE模型预测的峰值载荷、裂纹表面轮廓和损伤饱和度与实验观测结果非常吻合。预测的晶格畸变和位错分布在压痕周围同意从HR-EBSD相应的测量。最后，利用CPFE模型预测了类似辐照下钨块体材料的宏观应力-应变响应。
2020-07-01 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
The Dislocation Content of Triple Junctions
Sandia National Laboratories（桑迪亚国家实验室）；Lawrence Livermore National Laboratory（劳伦斯利弗莫尔国家实验室）
本文研究了三交界处的位错含量，推导了计算三交界处内在位错含量的必要方程，并展示了该方法可应用于 facet 交界处及其他类型的晶界交界处。通过原子模拟计算钨的位错矢量，揭示了三交界介导的孪生生长过程中的位错反应序列。
2026-05-20 cond-mat.mtrl-sci
A cascade model for the defect-driven etching of porous GaN distributed Bragg reflectors
University of Cambridge（剑桥大学）；Swansea University（斯旺西大学）
本研究提出了一种级联模型，用于解释缺陷驱动的多孔氮化镓分布布拉格反射镜蚀刻过程，通过分析不同电化学蚀刻电压下的三维结构，揭示了蚀刻路径与位错行为的关系。
2025-11-28 cond-mat.mtrl-sci
Atomistic simulations of irradiation damage on the engineering timescale: Examining the dose rate effect in tungsten
本文提出一种无参数原子模拟方法，加速空位运动以预测钨在工程时间尺度下的辐照微观演化，发现升温或降剂量率降低稳态缺陷浓度，并再现纳米空洞形成。
2025-06-23 cond-mat.mtrl-sci
Helium-Implantation-Induced Lattice Strains and Defects in Tungsten probed by X-ray Micro-diffraction
钨是未来聚变反应堆中面向等离子体的装甲部件的主要候选材料。高能聚变中子的轰击导致碰撞级联损伤和缺陷形成。由嬗变产生并从等离子体注入的氦与缺陷的相互作用，改变了缺陷的保留和行为。本文研究了不同剂量氦离子注入钨及钨合金后的残余晶格应变。能量和深度分辨的同步辐射X射线微衍射独特地允许以亚微米3D空间分辨率和~10-4应变灵敏度测量晶格应变。氦剂量从300 appm增加到3000 appm，体积应变仅增加~2.4倍，表明在低氦剂量下，每个注入的氦原子的缺陷保留率高~3倍。这表明，缺陷保留不是注入氦剂量的简单函数，而是强烈依赖于材料成分和杂质的存在。相反，W-1wt%Re合金样品和不同的晶体取向的分析表明，无论是存在的缺陷和晶体取向，有相对较小的影响，对缺陷保留。这些见解是未来反应堆中装甲部件设计的关键，在预测部件寿命和性能时，必须考虑辐照引起的尺寸变化。
2018-12-27 cond-mat.mtrl-sci
Deformation mechanism of WC single crystals under nanoindentation: Effects of surface defects and orientation on pop-in and hysteresis
在基底（0001）和棱柱（1010）平面上的纯碳化钨（WC）上进行纳米压痕，使用布氏压头和球形压头，在单载荷和多载荷测试中。研究了WC的弹性-塑性形变、尺寸效应和滞后效应等载荷-位移曲线与WC变形行为的关系。随着不同的试样制备工艺，弹性到塑性形变开始在不同的阈值负载：这一观察被发现是由于表面位错密度的变化。观察到的阶梯变形被认为是由位错运动和滑移带的形成引起的;与位错环成核相关的载荷-位移响应中的突然位移不连续性发生在理论剪切强度处或附近。此外，载荷-位移曲线中的不连续性也被用来证实滞后回线是塑性形变的结果，就像它们在载荷为纯弹性时一样。
2022-01-07 cond-mat.mtrl-sci
3D reconstruction of the spatial distribution of dislocation loops using a triangulation approach
本文提出了一种从二维TEM显微照片重建位错环三维空间分布的新方法。这种方法被证明为小DL钨，形成低剂量离子注入，出现在衍射对比度图像中的圆形斑点。为了提取特定DL的3D位置，拟合它们在以不同倾斜角记录的多个弱束暗场TEM显微照片中的2D位置。从该拟合可以提取每个显微照片中的每个DL的几何中心和尺寸。使用前向预测方法，在所有2D投影中识别每个特定DL。然后可以建立线性方程组，将每个DL的3D位置链接到每个投影中的2D位置。如果多于2个投影可用，则该方程系统是超定的，并且通过最小二乘拟合找到每个DL的3D位置。结果与用广义加权反投影法恢复的损伤微结构吻合较好。重要的是，三角测量方法需要较少的投影，并且对投影覆盖的角度范围不太敏感。我们的新方法也是不太敏感的对比度变化，由于局部偏离衍射条件。这些优点，以及三角测量方法的精度，进行了详细讨论。
2018-04-03 cond-mat.mtrl-sci
Parameter-free quantitative simulation of high dose microstructure and hydrogen retention in ion-irradiated tungsten
氢同位素被保留在用于聚变发电应用的材料中，随着微结构经受辐照损伤，改变氢脆和氚库存。但是，高度损坏的材料的建模-暴露于超过0.1位移每原子（dpa）-其中观察到渐近饱和，例如钨面临的等离子体在聚变托卡马克反应堆，是困难的，因为一个高度损坏的微观结构不能被视为弱相互作用孤立的缺陷陷阱。在本文中，我们开发的计算技术，找到在高度辐照材料的缺陷含量，而无需可调参数。首先，我们展示了如何产生收敛的高剂量（>1 dpa）的微结构使用的组合的创建-松弛算法和碰撞级联的分子动力学模拟。然后，我们做了强大的点缺陷和空洞区域的简单发展的Wigner-Seitz分解的晶格网站的估计。我们使用我们的估计的空隙表面积来预测钨的氘保留容量作为剂量的函数。然后将其与在290 K下自辐照至不同损伤剂量并在370 K下暴露于低能量氘等离子体的钨样品的3 He核反应分析（NRA）测量进行比较。我们表明，我们的模拟微观结构给出了一个很好的匹配实验数据，与模型和实验显示1.5-2.0原子%，在高剂量极限下，氘仍保留在钨中。
2021-06-24 cond-mat.mtrl-sci
