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
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
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
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
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
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
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
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
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
Direct observation of size scaling and elastic interaction between nano-scale defects in collision cascades
利用原位透射电子显微镜，直接观察了30K下低剂量高能自离子辐照超高纯钨所形成的纳米级缺陷。在低温下，晶格缺陷的迁移率降低，因此这些显微镜观察提供了一个窗口的初始，主要损害所造成的个别碰撞级联事件。电子显微镜图像提供了在高能级联中形成的纳米级缺陷的幂律尺寸分布的直接证据，其中尺寸上限与入射离子能量无关，如Sand等人[Eur.物理快报，103：46003，（2013）]。此外，在显微照片中观察到的缺陷对分布函数的分析显示显着的级联内的空间相关性与强的弹性相互作用的缺陷。
2015-03-10 cond-mat.mtrl-sci
Trapping of He Clusters by Inert-Gas Impurities in Tungsten: First-Principles Predictions and Experimental Validation
采用第一性原理密度泛函理论（DFT）计算方法，系统地研究了体心立方钨中惰性气体原子引入引起的点缺陷的性质。间隙氖、氩、氪和氙原子的最稳定构型是四面体位置，类似于早先在W中发现的氦。计算的单个惰性气体原子的形成能在间隙网站，以及在替代网站是大得多的Ne，Ar，Kr和H2O比He。虽然惰性气体缺陷插入间隙配置的能量的变化可以解释由其大的原子尺寸的强烈影响，其替代能量所表现出的趋势更可能与惰性气体杂质原子和钨原子之间的共价相互作用。惰性气体杂质与空位之间的相互作用能有显著的变化，从He到Ne、Ar、Kr、Ar，都有明显的尺寸效应。这种趋势的起源可以通过电子结构计算来解释，电子结构计算表明p轨道在空位与四种惰性气体元素中任何一种的原子之间形成化学键的过程中起着重要的作用，而氦在外层中只包含1 s2电子。计算了氦原子被五种不同的缺陷（He-v，Ne-v，Ar-v，Kr-v，Xe-v，其中v表示bcc-W中的空位）俘获时的结合能，结果与热脱附谱的实验数据吻合得很好.本文分析了氦原子团簇与钨中惰性气体杂质原子陷阱的结合随连续俘获氦原子数目的变化。由于惰性气体杂质的杨氏模量的变化进行了分析的基础上，来自DFT计算的数据。
2014-08-04 cond-mat.mtrl-sci
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
Effects of Galactic Irradiation on Thermal and Electronic Transport in Tungsten
本研究利用SPTC和N2方法分析低能辐照下钨中空位缺陷对热和电子输运的纳米尺度影响，揭示缺陷依赖的输运行为，为太空材料应用提供高分辨率见解。
2025-02-26 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci
Temperature effects on the point defects formation in [111] W by neutron induced collision cascade
钨在ITER中被用作面向等离子体的壁，在那里它受到极端的操作条件。在这项工作中，我们研究了在300-900 K温度范围内中子轰击[111]晶体W的损伤形成，这对于设计下一代聚变反应堆是重要的。分子动力学（MD）模拟在高斯近似势（GAP）框架内在1 keV的初级撞击原子（PKA）能量下进行。诱导损伤的分析是由缺陷的指纹和可视化分析仪（FaVAD），这是基于一个旋转不变映射的本地原子邻域允许提取，识别和可视化的原子缺陷的形成过程中和之后的碰撞级联动态。该评估允许对各种缺陷类型进行分类，并将缺陷演变量化为时间和初始样品温度的函数。我们发现，由于热激活机制，弗伦克尔对的生产作为温度的函数增加。
2023-02-17 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Electric-field switchable chirality in rhombohedral graphene Chern insulators stabilized by tungsten diselenide
本文在菱方多层石墨烯莫尔超晶格中实现电场可切换的陈绝缘体手性，通过二硒化钨稳定量子化反常霍尔态，陈数可在-1、1和2之间调控，为拓扑电子电路集成手性边缘电流提供新平台。
2025-01-24 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el
On the detection and classification of material defects in crystalline solids after energetic particle impact simulations
我们提出了一种类似指纹的方法来分析高能粒子辐照后的材料缺陷，通过计算一个给定的样品的每个原子的旋转不变的描述符向量。对于有序固体，这种新方法易于使用，不需要极端的计算资源，并且在很大程度上独立于样品材料和样品温度。作为说明，我们应用该方法的分子动力学模拟的氘代和原始钨晶格在300 K使用初级撞击原子（PKA）的1 keV的不同速度方向，以模拟中子轰击过程。的W原子的数量，碰撞级联后的影响，已被量化与所提出的方法。首先，原子在规则的晶格位置，以及常见的缺陷类型，如晶体和空缺已确定使用预先计算的描述符向量。主成分分析（PCA）被用来识别以前忽略的缺陷类型，并得出相应的本地原子结构。氘代和原始钨样品的辐照效应的比较表明，氘代样品表现出一贯比原始的更多的缺陷。
2019-09-02 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Local chemical order suppresses grain boundary migration under irradiation in CrCoNi
University of California, Irvine（加州大学尔湾分校）；Hopkins Extreme Materials Institute, Johns Hopkins University（约翰斯·霍普金斯大学霍普金斯极端材料研究所）；Johns Hopkins University（约翰斯·霍普金斯大学）
研究探讨了CrCoNi中局部化学有序对辐照下晶界迁移和稳定性的影响，发现有序合金晶界在化学有序被破坏前保持稳定，而无序合金晶界在少量碰撞级联后开始迁移。
2026-03-18 cond-mat.mtrl-sci
Savi-Bhransha: Graph-Theoretic Dislocation-Loop Characterization in Crystals
Bhabha Atomic Research Centre（巴哈原子研究中心）；Homi Bhabha National Institute（霍米·巴巴国立研究所）
本文提出Savi-Bhransha图论方法，无需全局界面网格即可高效表征晶体位错环，其在复杂环境中更稳定、速度更快，可用于辐射损伤模拟分析并与实验结果对比。
2026-08-03 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
On the classification and quantification of crystal defects after energetic bombardment by machine learned molecular dynamics simulations
由于等离子体与环境的直接相互作用，需要对面向等离子体材料（PFM）的损伤进行分析，以构建下一代核机器，其中钨已被提议作为候选材料。在这项工作中，我们使用机器学习的原子间势进行分子动力学（MD）模拟，基于高斯近似势框架，在原始W晶格中模拟更好的中子轰击机制。MD潜力的训练，以再现现实的短程动力学，液相，和材料的重结晶，这是重要的碰撞级联。点缺陷的形成是量化和分类的描述符矢量（DV）为基础的方法，这是独立的样品温度及其成分，只需要适度的计算资源。空位的位置由k-d-tree算法计算。在W样品中的损伤的分析相比，由EAM Finnis-Sinclair和Tersoff-ZBL电位得到的结果，在样品温度为300 K和初级撞击原子（PKA）的能量范围为0.5-10千电子伏，其中一个很好的协议与报告的数量的Frenkel对观察。我们的研究结果提供了关于机器学习MD模拟相对于标准模拟的优点和局限性的信息。哑铃和crowdion缺陷的形成作为PKA的函数进行了讨论。
2019-10-26 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.comp-ph
