2018 Fiscal Year Annual Research Report
Theoretical Research in Formation Mechanisms of Fuzzy Nano-structures by Comparison among Noble Gases and Metals
| Project/Area Number |
15H05563
|
|---|
| Research Institution | National Institute for Fusion Science |
|---|
Principal Investigator |
伊藤 篤史 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (10581051)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2019-03-31
|
| Keywords | プラズマ壁相互作用 / プラズマ・核融合 / ナノ材料 / プラズマ加工 / 計算物理 / 物性理論 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
ヘリウム(He)照射で誘起されるタングステンの繊維状ナノ構造の形成メカニズム解明が本研究の最終目標である。昨年度までの研究において、二体衝突近似法(BCA)，分子動力学(MD)，密度汎関数理論(DFT)，動的モンテカルロ法(KMC)による各種スケールにおけるヘリウムとタングステンの相互作用を調べた結果から、繊維状ナノ構造の形成にはプラズマの入射頻度(フラックス)と、材料中のHeの拡散・凝集現象の競争が重要であると推測した。それを調べるために、BCA-MD-KMC三連ハイブリッドシミュレーション手法を完成させ、実験と同等の入射フラックスをシミュレーションで再現可能にした。本年度の研究において、40日の計算で100秒相当の模擬を行うことができた。その結果、繊維状ナノ構造の形成の再現に成功した。これは、原子レベルかつ三次元のシミュレーションとして世界で初めての事例となった。さらに、シミュレーションの結果から、繊維状ナノ構造の成長過程には、プラズマによるHeの過飽和注入とそれによるバブルの形成だけでなく、バブルの表面破裂で凹凸のできた表面においてタングステン原子がスパッタリングと再堆積を繰り返すことが必要であることが発見できた。これはこれまでに想定されていなかった新しい成長メカニズムであった。
さらに、金属間の違いを明らかにするため、ヘリウム照射中のバブル形成量を金属種ごとに調べた。その為に、DFTによるHe凝集や拡散に関する各種物性値を利用して、タングステン以外の金属におけるHeの拡散・凝集に関するKMCモデルを構築した。入射フラックスと温度を変数としてHeバブル形成するか否かを調べたところ、バブル形成が可能なのは限られた変数領域（ウィンドウ）だけであり、それは金属中のHeの拡散係数とHe同士の結合エネルギーで決まることが分かった。
|
| Research Progress Status |
平成30年度が最終年度であるため、記入しない。
|
| Strategy for Future Research Activity |
平成30年度が最終年度であるため、記入しない。
|
