INVE_MEM_2012_130322

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Simulación mediante dinámica 
molecular de la irradiación de 
sílice con iones rápidos pesados 
Workshop Technofusion 
* 18-19 junio 2012, UC3M 
Rivera, O. Peña, A. Prada, J. Olivares, 
F. Agullo-Lopez, M.J. Caturla 
TechnoFusión 
Centro Nacional de 
Tecnologías para la Fusión 
INDUSTRIALES 
ETSIII UPM 
A . 
INDUSTRIALES 
f ETSII I UPM 
Multiesca"' 
p*p 
V 
Método 
Ab Initio - D F 
Tight-binding 
Dinámica 
Molecular clásica 
Monte Cario 
cinético 
Rate theory 
Dinámica de 
dislocaciones 
Elementos finitos 
Aproximación 
E. Schródinger a 
través de aproxi. 
Repulsion -
empírica 
Potenciales 
Empíricos 
Probabilidades 
de reacción 
Campo 
medio 
Elasticidad + 
reglas corto 
alcance 
Ecuaciones 
constitutivas 
Átomos 
Todos 
Todos 
Todos 
Sólo 
defectos 
Sólo 
defectos 
Sólo 
dislocaciones 
Discretización 
del sistema 
Tamaño 
Unos pocos cientos 
de átomos 
Unos miles de 
átomos 
Millones de átomos 
-dOOnm)3 
~ ClOOOnm)3 
Sin límites 
-ClOaOnm)3 
Tiempo 
Estático 
Car-Parinello << ns 
< ns 
- ns 
Horas - anos 
Horas - anos 
____ 
INDUSTRIALES 
f ETSII I UPM 
escaj v
4 $$*£. m 
Experimentos 
Gonzalez, Gordillo, Panizo, Melgar, Peña, Olivares (CSIC), Pastor (Caminos), Fdez (IMM) 
I 
Modelos fenomenológicos 
X 
Ab initio MD MC Disloc. FE 
í t 
Y 
eMC 
Boltzmann 1 
Apostolova 
BC 
FDTD 
Peña 
T diff. 
Moral, Alvarez 
18 
investigadores 
IFN 
1 ' 
INDUSTRIALES 
f ETSII I UPM 
Ab initio 
Experimentos 
•Altas presiones 
•Propiedades de defectos 
•Estudios de intercaras 
•Baterías de Li 
Guerrero, Río, Iglesias (U. Oviedo) 
nomenológicos 
X 
X 
Ab initio MD MC Disloc. 
D*P 
FE 
X 
eMC 
Boltzmann 
X 
BC 
| FDTD ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ 
•Cinética de intersticiales en sistema 
Fe:Cr 
•Efectos de alta densidad electrónica en 
dieléctricos 
•Potencial LiPb 
•Dislocaciones en W 
Río, Rivera, Prada, Peña, Fraile, Cereceda, Caturla (U. Alicante) 
Ab initio MD MC Disloc. FE 
X 
eMC 
Boltzmann 
X 
BC 
| FDTD ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ 
1 INDUSTR] 
nnm ETSII I UPM 
a) 107 K. 
30 r 
20 -
10 -
0 -
•Nucleación de defectos en los 
sistemas W:C:He y Fe:He 
•Acumulación de e H nte 
b) 146 K 
•'• . . ' 
30 r 
0 5 1 0 1 5 
rs^4 
20 25 
0 -
0 5 
3Ü 
1 0 1 5 20 25 
c) 186 K d) 277 K 
TUSMPa 
en •Estudios termomecánicos 
•Aplicación en 
nanoestructuras 
•Desarrollo de grietas 
Garoz, Rodríguez-Páramo, Sordo (ESS) 
MPa 
Disloc. FE 
D * P 
j INDUSTRIALES 
Q U I ETSII I UPM 
Excitación electrónica 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
Not well understood 
Permanent damage 
Modification of properties 
Defect annealing 
Nano-track formation 
Complex energy transfer 
mechanisms 
Electron Dynamics 
10 17- 10 l 3 s 
v 
Atom Dynamics 
10-»- 10" 
R = 5 nm 
G. Schiwietz et al. NIMB 226, 683 
INDUSTRIALES 
f ETSII I UPM 
Sílice 
D*P 
• 
• 
(a) (b) 
Swift ion irradiation => 
Electronic sputtering 
Density variation 
Defect production 
Relevant effects in nuclear fusion 
• 
• 
• 
MD 
• 
• 
Can’t explain ion-solid energy transfer 
We assume Se (keV/nm) is transferred to lattice 
D * P 
INDUSTRIALES 
f ETSII I UPM 
MD 
INDUSTRIALES 
f ETSII I UPM 
MD 
• Resulting temperature profiles compatible with 
electron MC simulations 
4500 
'./mtemp-GOlps.dat 
'./mtemp-Q05ps.dat 
'./mtemp-OlOps.dat 
'./mtemp-Q20ps.dat 
'./mtemp-050ps.dat 
'./mtemp-lOOps.dat 
u 1:2 
u 1:2 
u 1:2 
u 1:2 
u 1:2 
u 1:2 
4 keV/nm 
160 
INDUSTRIALES 
f ETSII I UPM 
• Ion irradiation 
strongly affects 
the material 
30 keV/nm 
D*P 
MD 
D*P 
INDUSTRIALES 
f ETSII I UPM 
5000 
,/mtemp 
,/mtemp 
,/mtemp 
,/mtemp 
,/mtemp 
,/mtemp 
-001ps.dat 
-005ps.dat 
-010ps.dat 
-020ps.dat 
-100ps.dat 
-150ps.dat 
u 1:2 
u 1:2 
u 1:2 
u 1:2 
u 1:2 
u 1:2 
20 40 60 80 100 1! 
30 keV/nm 
75 
70 
65 
60 
50 
45 
40 
25 
MD 
• 
• 
• 
Density variation 
At the surface 
electronic sputtering 
Refractive index 
./mden-QQQps.dat u 1:2 
./mden-150ps.dat u 1:2 
./mden-ioops.dat' u 1:2 
./mden-050ps.dat u 1:2 
10 12 14 
INDUSTRIALES 
f ETSII I UPM 
D*P 
MD 
5000 
'./mtemp 
'./mtemp 
'./mtemp 
'./mtemp 
'./mtemp 
'./mtemp 
-OQlps.dát 
-005ps.dat 
-010ps.dat 
-020ps.dat 
-100ps.dat 
-150ps.dat 
u 1:2 
u 1:2 
u 1:2 
u 1:2 
u 1:2 
u 1:2 
0 20 40 60 80 100 1! 
30 keV/nm 
• 
• 
%S¡ con n3 coord. 4 
Point defects 
./ratiocoord-OOOps.dat' u 1:6 
yratiocoord-150ps.dat' u 1:6 
14 
INDUSTRIALES 
f ETSII I UPM 
D*P 
MD 
5000 
'./mtemp 
'./mtemp 
'./mtemp 
'./mtemp 
'./mtemp 
'./mtemp 
-OQlps.dát 
-005ps.dat 
-010ps.dat 
-020ps.dat 
-100ps.dat 
-150ps.dat 
u 1:2 
u 1:2 
u 1:2 
u 1:2 
u 1:2 
u 1:2 
20 40 60 so 100 
30 keV/nm 
• 
• 
Ring distribution 
Raman effects 
• • 2.0 nm 
• • 4.0 nm 
• • 6.0 nm 
o o 8.0 nm 
• • 10.0 nm 
• • 14.0 nm 
6 a 
Ring size 
INDUSTRIALES 
f ETSII I UPM 
30 keV/nm 
160 
155 
150 
— 145 
en 
g 140 
< 135 
130 
125 
12 0 
0 
Ángulos 
0000 ps 
1 í i í i i i i i l 
10 15 
d ( nm ) 
20 
D*P 
25 
INDUSTRIALES 
f ETSII I UPM Density variatio 
D*P 
0 :=: 10 12 14 
• 
INDUSTRIALES 
f ETSII I UPM 
Related to 
refractive index 
Density variatio 
D*P 
0.06 
0.04 -
43 
0 . 0 2 -
T — i — i — i — | — i — i — i — i — | — i — i — i — i — | — i — i — i — i — r 
0.00 J I I I I I I L 
CI 20; r = 1.4 n m 
F 5; r = 0.7 n m 
_. . i . i_ 
Fluence, 4» (x1014 ions/cm2) 
J. Manzano et al. NIMB 268, 3147 
INDUSTRIALES 
f ETSII I UPM 
onclusions 
D*P 
• 
• 
• 
Excitación electrónica afecta a la sílice 
Cambio en densidad 
Cambio en índice de refracción 
Cambio en distribución de anillos 
Cambio en distribución de ángulos 
Generación de defectos puntuales 
Con ciertas hipótesis MD permite cuantificar los 
efectos de la irradiación 
Aparte del estudio fundamental esto tiene 
implicaciones en fusión y technofusion 
• 
• 
• 
• 
• 
Gracias