【摘要】 然后使用第一性原理计算来准确确定迁移能垒。

由于其在极端辐照条件下的高性能，钨是未来聚变装置中最有前途的面向等离子体材料的候选材料之一[1]。

 

然而，辐照引起的表面形态变化很大，具体取决于辐照类型、注量和通量。因此，检查钨（W）表面点缺陷的动态以了解辐照如何影响表面形态至关重要[2,3]。

 

研究中，采用自演化原子动力学蒙特卡罗（SEAKMC）方法来搜索W（1 0 0）、（1 1 0）和（1 1 1）表面上点缺陷的潜在迁移路径。

 

然后使用第一性原理计算来准确确定迁移能垒。将获得的路径和障碍纳入动力学蒙特卡罗（KMC）模型中以确定轨迹和扩散率，并通过扩散张量来描述以证明其各向异性特征。

 

使用原子间势和DFT结合KMC对钨表面的点缺陷动力学进行了系统研究，并确定了几个实验研究表面的关键机制。

 

在(1 0 0)表面上，发现了三种吸附原子的迁移机制和四种空位的迁移机制，包括由表面重构引起的各向异性迁移路径。

 

相比之下，在(1 1 0)和(1 1 1)表面上，分别为每个点缺陷识别出两个和一个机制。

 

(1 0 0)表面缺陷的MEB彼此接近，但由于重构，对于相同的机制，其值和方向是各向异性的。

 

(1 1 0)表面缺陷的MEB是三个表面的所有机制中最低的，表现出由表面几何形状引起的D2群对称性。

 

(1 1 1)表面缺陷的MEB具有三重旋转对称性，表面上两个稳定位点之间对于吸附原子和空位都存在亚稳态。

 

吸附原子的MEB与所有三个表面上的空位的MEB相当，远高于块状钨中SIA的势垒。

 

使用不同原子间势和DFT生成的趋势通常彼此一致。

 

使用KMC获得了不同温度下三个表面上吸附原子和空位的扩散率，包括确定的机制，并引入扩散张量来分析扩散各向异性。

 

重建的（1 0 0）表面上空位的平均扩散率略高于吸附原子，并且其扩散张量比吸附原子更具各向异性。

 

当温度升高时，重构(1 0 0)表面缺陷的各向异性因子减小。

 

(1 1 0)表面上的点缺陷在三个表面中具有最高的扩散率，并保持固定的各向异性因子(1/3)，与温度无关。

 

在(1 1 1)表面上发现了点缺陷的各向同性扩散，其中吸附原子的扩散率是三个表面上所有不同情况中最低的。

 

此外，我们在理论上将各向异性扩散分为四种类型，并讨论了每种类型的条件。

 

这些模拟提供了钨表面点缺陷的缺陷传输特性，这将是更大规模模拟的基本输入参数，例如对象KMC和平均场速率理论。

 

对不同辐照条件下表面缺陷迁移和杂质的进一步研究可能为对钨的表面起泡、绒毛形成和溅射产率变化的基本理解提供有用的见解。

 

[1] M. Shimada, A.E. Costley, G. Federici, K. Ioki, A.S. Kukushkin, V. Mukhovatov, A.Polevoi, M. Sugihara, J. Nucl. Mater. 337 (339) (2005) 808.

[2] D. Stork, S.J. Zinkle, Nucl. Fusion 57 (2017).

[3] M. Rieth, et al., J. Nucl. Mater. 432 (2013) 482