Modelling of defect formation and evolution in metals and silicon

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

Thermodynamics of impurity-enhanced vacancy formation in metals

Hydrogen induced vacancy formation in metals and metal alloys has been of great interest during the past couple of decades. The main reason for this phenomenon, often referred to as the superabundant vacancy formation, is the lowering of vacancy formation energy due to the trapping of hydrogen. By means of thermodynamics, we study the equilibrium vacancy formation in fcc metals (Pd, Ni, Co, and Fe) in correlation with the H amounts. The results of this study are compared and found to be in good agreement with experiments. For the accurate description of the total energy of the metal-hydrogen system, we take into account the binding energies of each trapped impurity, the vibrational entropy of defects, and the thermodynamics of divacancy formation. We demonstrate the effect of vacancy formation energy, the hydrogen binding, and the divacancy binding energy on the total equilibrium vacancy concentration. We show that the divacancy fraction gives the major contribution to the total vacancy fraction at high H fractions and cannot be neglected when studying superabundant vacancies. Our results lead to a novel conclusion that at high hydrogen fractions, superabundant vacancy formation takes place regardless of the binding energy between vacancies and hydrogen. We also propose the reason of superabundant vacancy formation mainly in the fcc phase. The equations obtained within this work can be used for any metal-impurity system, if the impurity occupies an interstitial site in the lattice. Published by AIP Publishing.Peer reviewe