Theoretical Research in Formation Mechanisms of Fuzzy Nano-structures by Comparison among Noble Gases and Metals

2018 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 15H05563
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: Nuclear fusion studies
• Research Institution: National Institute for Fusion Science
• Principal Investigator: Ito Atsushi M. 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 / ヘリウムプラズマ / タングステン / 分子動力学 / ハイブリッドシミュレーション / 動的モンテカルロ法 / 二体衝突近似 / ナノ構造

Outline of Final Research Achievements

We investigated the formation mechanism for "fuzz" which is a fuzzy nanostructure induced on the tungsten surface by helium plasma irradiation. We developed the BCA-MD-KMC triple hybrid method, the method to find automatically path of the impurity atom in material, the meta-compiler to generation the simulation code for potential model in molecular dynamics from mathematical expressions. Using these, we succeeded in reproducing the growth of fuzz by simulation. As a growth mechanism, it has come to discover an unexpected mechanism in which repeated sputtering and re-deposition phenomena cause transport of tungsten atoms after burst of helium bubbles.

Free Research Field

プラズマ物質相互作用

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究を通じて開発されたBCA-MD-KMCハイブリッド法は、原子レベルの計算のまま100秒までの照射現象をシミュレート可能にした画期的な手法であり、プラズマと固体物質の界面現象（プラズマ物質相互作用）に対して広く応用可能な手法である。産業界では半導体プロセスや薄膜コーティングに展開可能で、成功すれば飛躍的な製品開発の向上に繋がる可能性があり、現在は産学連携研究を展開中である。また、動的モンテカルロの経路探索法やメタコンパイラも、プラズマ・核融合分野以外での物質材料シミュレーションに広く展開可能なもので、今後の分野融合的発展が期待できる。