Tesis:
Estudios atomísticos de la respuesta a la irradiación de materiales ópticos con aplicación en plantas de fusión nuclear
- Autor: PRADA VALVERDE, Alejandro
- Título: Estudios atomísticos de la respuesta a la irradiación de materiales ópticos con aplicación en plantas de fusión nuclear
- Fecha: 2017
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES
- Departamentos: INGENIERIA ENERGETICA
- Acceso electrónico: http://oa.upm.es/48244/
- Director/a 1º: RIVERA DE MENA, Antonio
- Director/a 2º: PEÑA RODRÍGUEZ, Ovidio Y.
- Resumen: Esta tesis presenta un modelo atomístico basado en dinámica molecular clásica validado con datos experimentales que permite explicar los efectos de la irradiación iónica en régimen de frenado electrónico sobre diversos materiales: sílice amorfa, cuarzo y nanopartículas de plata embebidas en sílice. Estos materiales encuentran aplicación en las ópticas finales de plantas de fusión láser, así como en otros componentes ópticos tanto en fusión láser como magnética. Además, otras aplicaciones en el campo de la fotónica resultan beneficiadas por este trabajo, por ejemplo en lo referente a modificación de nanopartículas plasmónicas mediante irradiación iónica. Los datos experimentales utilizados en esta tesis provienen en parte de la Literatura y en parte de campañas de irradiación llevadas a cabo en colaboración con nuestros colegas del Centro de Micro-Análisis de Materiales (UAM). Las técnicas más apropiadas y, por tanto, más usadas para estudiar los efectos de la irradiación en estos materiales se basan en medidas ópticas tanto en reflexión, para obtener las variaciones en el índice de refracción, como en transmisión para estimar la producción de centros de color en sílice o la variación de la resonancia de plasmón en el caso de nanopartículas de plata. En el caso del cuarzo se ha realizado, además, análisis con haz de iones en configuración canalizada. Muchas de las medidas se han llevado a cabo in situ lo que ha proporcionado información de los sistemas bajo irradiación con un nivel de detalle sin precedentes. Las simulaciones de dinámica molecular se realizaron con los códigos MDCASK y LAMMPS. El código MDCASK fue modificado para incluir el modelo del cilindro caliente con inclinación variable (para simular trazas iónicas), el potencial BKS con la modificación para interacciones de corto alcance, la combinación de potenciales para las interacciones de la sílice, la plata y la plata-sílice y el término de fricción de Langevin. En el código LAMMPS se añadió al potencial BKS la modificación para interacciones de corto alcance. El modelo atomístico fue validado comparando los cambios en volumen y superficie inducidos por la irradiación iónica en régimen de frenado electrónico con resultados experimentales. El potencial BKS modificado se validó estudiando los cambios incluidos en cuarzo α con medidas ópticas in situ. Por último, la combinación de potenciales se utilizó para estudiar las modificaciones inducidas en nanopartículas de plata embebidas en sílice. Estos resultados se validaron con medidas in situ de la resonancia del plasmón. El modelo reproduce el efecto velocidad, el umbral para generación de trazas, la estructura de la traza resultante, así como los efectos superficiales (emisión atómica, cambios de morfología superficial). Además, predice la generación y aniquilación de defectos. La aplicación del modelo a sílice y cuarzo permite entender las sutiles diferencias apreciadas por las técnicas de medida en material amorfo y cristalino. Por otro lado, nos ha permitido obtener con un alto grado de detalle la elongación de nanopartículas de plata embebidas en sílice por efecto de la irradiación iónica, el cual, es un proceso complejo donde compite la elongación causada por un impacto individual, la difusión y la maduración de Ostwald. Por último, hemos podido analizar el fenómeno de acumulación de trazas y el efecto independiente de un único impacto. Evidentemente, la dinámica molecular clásica no es capaz de reproducir la evolución del sistema electrónico una vez excitado por un ion incidente y la subsiguiente transferencia de energía a la red. Sin embargo, se puede asumir que tal transferencia de energía es muy rápida y seguir la posterior evolución del sistema atómico mediante nuestras simulaciones. Los resultados, en buen acuerdo con los experimentos, indican que los iones en régimen de frenado electrónico generan trazas iónicas permanentes (de radio nanométrico y longitud micrométrica) con propiedades físico-químicas claramente modificadas respecto al material virgen. El hecho de que mediante dinámica molecular clásica seamos capaces de reproducir cuantitativamente los experimentos es un indicativo de que los principales procesos involucrados en la generación de trazas están relacionados con la evolución de la red atómica. Más allá de reproducir los resultados experimentales, la principal contribución del modelo atomístico es que ayuda a entender los mecanismos físicos responsables de la evolución del sistema irradiado. Así, hemos identificado tres mecanismos principales asociados a la transferencia de energía del ion en régimen de frenado electrónico. Primero, un efecto colectivo de átomos como consecuencia de la ganancia de energía cinética, seguido de un enfriamiento ultra-rápido debido a la transferencia de energía hacia los alrededores de la traza (zona fría masiva). Esto da lugar a cambios de densidad y ruptura de enlaces con producción de defectos. La red no puede reconstruirse completamente debido al ultra-rápido enfriamiento por lo que aparece la traza permanente. Segundo, los átomos con alta energía cinética más cercanos a las superficies logran escapar dando lugar a un mecanismo de eyección de átomos superficiales (sputtering electrónico) mucho más eficaz que los mecanismos tradicionales basados en colisiones elásticas (sputtering físico). Tercero, en la zona superficial aparece un mecanismo de fluencia que produce la acumulación de átomos alrededor de la zona de eyección, dando lugar a la aparición de nanocráteres. ----------ABSTRACT---------- In this thesis, an atomistic model based on classical molecular dynamics validated with experimental data is shown, so the ion irradiation in the electronic stopping regime on different materials, such as amorphous silica, quartz and silver nanoparticles embedded in silica, can be explained. These materials are employed in the final optics of laser fusion power plants, but also in other optical components in laser and magnetic fusion. Additionally, other applications in the photonic area benefit from this work, for example the plasmonic nanoparticle modification by ion irradiation. Experimental data used in this thesis comes from Literature and from an irradiation campaign performed in collaboration with our colleges of the Centro de Micro-Análisis de Materiales (UAM). In order to study the irradiation effects in these materials, the most appropriated, and thus, used techniques are based on optical measurements, such as reflection, to obtain the refractive index variations, or transmission, to calculate the production of color centers in silica or the plasmon resonance variation in silver nanoparticles. In the case of quartz, an additional analysis with ion beam in channeling configuration has been carried out. Many of the measurements have been performed in situ, giving a lot of information about systems under irradiation with an unprecedented level of detail. Molecular dynamic simulations were carried out with MDCASK and LAMMPS codes. The MDCASK code was modified to include the hot cylinder model with different inclinations (to simulate ion tracks), the BKS potential with the modification of short range interactions, the combination of potentials for silica, silver and silica-silver interactions and the Langevin frictional force. Regarding the LAMMPS code, the modification of short range interactions was added for the BKS potential. The atomistic model was validated by comparison with the experimental data of the volume and surface changes induced by ion irradiation in the electronic stopping regime. In the case of the modified BKS potential, the validation was performed by studying the α-quartz changes measured by in situ optical techniques. Finally, the combination of potentials was used to study the elongation of silver nanoparticles embedded in silica. The results were validated with in situ transmission measurements of the plasmon resonance. The model reproduces the velocity effect, the threshold in track generation, the final track structure and the surface effects (atomic emission and surface morphological changes). Furthermore, it predicts the generation and annihilation of defects. The application of the model to silica and quartz allows to understand the fine differences observed with the measurement techniques in amorphous and crystalline materials. On the other hand, a high level of detail has been attained in the elongation of silver nanoparticles embedded in silica under ion irradiation, which depends on a complex competition between single-ion deformation, Ostwald ripening and dissolution. Finally, the track accumulation phenomena and the single-ion impact effect have been analyzed. Obviously, classical molecular dynamics cannot reproduce the electronic system evolution once excited by the incident ion and the subsequent energy transmission to the lattice. However, it can be assumed that such energy transfer is fast enough to ignore it and therefore, study the following atomic evolution with our simulations. In accordance with the experiments, the results show that the ion irradiation in the electronic stopping regime produces permanent tracks (with nanometric radius and micrometic length) with clearly different physicochemical properties than the virgin material. The fact that the experimental results can be quantitatively reproduced with molecular dynamics simulations implies that the main processes which describe the track generation are related with the evolution of the atomic lattice. Apart from the experimental replication, the main contribution of the atomistic model consists in allowing to explain the physic mechanisms responsible for the irradiated system evolution. Thus, three main mechanism associated to the energy transfer to the ion in the electronic stopping regime have been identified. First, a collective effect of the atoms provoked by the kinetic energy gain, followed by an ultra-fast cooling due to the energy transfer to the track surroundings (massive cold zone). This process generates density changes and bond ruptures that produce defects. The permanent track is generated because of the ultra-fast cooling, avoiding the regeneration of the atomic lattice. Second, the high kinetic energy, nearest to the surface atoms are able to escape, originating the ejection mechanism of the surface atoms (electronic sputtering), which is far more efficient than the traditional elastic collision mechanism (nuclear sputtering). Third, a fluence mechanism takes place in the surface that causes the atom accumulation around the ejection zone, producing nanocraters.