Materiaalwetenschappers van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) kwamen een stap dichter bij het begrijpen van de interactiedynamiek van defecten in siliciumcarbide.

Wanneer een energetisch deeltje, zoals een neutron of een ion, botst op een materiaal, het deeltje penetreert en creëert verplaatsingen door ballistische processen waarbij roosteratomen uit hun evenwichtsposities worden afgeslagen. Deze afgeslagen atomen hebben vaak een kinetische energie die hoog genoeg is om andere nabijgelegen atomen te verdringen. Als resultaat, een cascade van atomaire verplaatsingen wordt gecreëerd langs het ionentraject.

Energetische ionen met verschillende massa's creëren botsingscascades met verschillende verplaatsingsdichtheden. Zware ionen creëren dichte botsingscascades, terwijl cascades geproduceerd door lichtionen en neutronen worden verdund met veel grotere gemiddelde afstanden tussen verplaatsingen binnen elke cascade.

Dergelijke cascadedichtheden zijn niet alleen een intellectuele curiositeit. Voor veel niet-metalen materialen, de dichtheid van botsingscascades bepaalt hoe gemakkelijk het materiaal beschadigd raakt onder bestraling. Echter, de effecten van botsingscascadedichtheden op de dynamiek van stralingsdefecten bleven in wezen onontgonnen. Stralingsdefectdynamiek blijft over het algemeen een van de meest complexe, slecht begrepen en zwaar bediscussieerde onderwerpen in de gemeenschap van stralingsschade.

Siliciumcarbide wordt gebruikt voor het aandrijven van elektronische apparaten, zoals een transistor, die werken bij hoge temperatuur en hoogspanning. Verder, siliciumcarbide is onderzocht op zijn haalbaarheid als splijtstofbekleding.

In een studie gepubliceerd in de editie van 17 maart van Wetenschappelijke rapporten , een team van LLNL en Texas A&M University gebruikte een recent ontwikkelde gepulste ionenbundelmethode om te onderzoeken hoe stralingsschade in siliciumcarbide wordt beïnvloed door de dichtheid van botsingscascades. Siliciumcarbide is een nucleair keramisch en halfgeleidermateriaal met brede bandafstand. Het team bestudeerde systematisch de dynamiek van stralingsdefecten in siliciumcarbide gebombardeerd met verschillende ionen die botsingscascades creëren met dichtheden in een breed bereik. De onderzoekers gebruikten gepulste ionenbundels om de levensduur van mobiele defecten te meten en ontwikkelden een nieuwe methode om cascadedichtheden te berekenen.

Het team ontdekte dat dichtere botsingscascades niet alleen meer schade aanrichten, maar ook veel langzamer evolueren dan verdunde cascades. Hun werk is de eerste demonstratie dat, naast het dosistempo, de interactiedynamiek van defecten in siliciumcarbide hangt sterk af van de cascadedichtheid.

"Deze studie is een ander voorbeeld van hoe de ontwikkeling van nieuwe experimentele methoden ons kan helpen de basisprocessen van stralingsschade beter te begrijpen, " zei LLNL-wetenschapper L. Bimo Bayu Aji, de hoofdauteur van het artikel.

"Dit werk laat zien dat siliciumcarbide naar verwachting anders zal beschadigen in stralingsomgevingen die worden gekenmerkt door verschillende neutronenfluxen en energieën, en dat elke echt voorspellende modellering van stralingsschade rekening moet houden met de interactiedynamiek van defecten, " zei Sergei Kucheyev, de LLNL-projectleider.