Gli scienziati dei materiali del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hanno compiuto un passo avanti nella comprensione delle dinamiche di interazione dei difetti nel carburo di silicio.

Quando una particella energetica, come un neutrone o uno ione, incide su un materiale, la particella penetra e crea spostamenti mediante processi balistici di allontanamento degli atomi del reticolo dalle loro posizioni di equilibrio. Questi atomi staccati hanno spesso un'energia cinetica abbastanza alta da spostare altri atomi vicini. Di conseguenza, si crea una cascata di spostamenti atomici lungo la traiettoria ionica.

Ioni energetici con masse diverse creano cascate di collisione con densità di spostamento diverse. Gli ioni pesanti creano dense cascate di collisione, mentre le cascate prodotte da ioni leggeri e neutroni sono diluite con distanze medie molto maggiori tra gli spostamenti all'interno di ciascuna cascata.

Tali densità a cascata non sono solo una curiosità intellettuale. Per molti materiali non metallici, la densità delle cascate di collisione determina la facilità con cui il materiale viene danneggiato sotto irraggiamento. Però, gli effetti delle densità delle cascate di collisione sulla dinamica dei difetti di radiazione sono rimasti sostanzialmente inesplorati. La dinamica del difetto da radiazione rimane generalmente una delle più complesse, argomenti poco compresi e molto dibattuti nella comunità dei danni da radiazioni.

Il carburo di silicio viene utilizzato per alimentare dispositivi elettronici, come un transistor, che operano ad alta temperatura e alta tensione. Per di più, il carburo di silicio è stato studiato per la sua fattibilità come rivestimento di combustibile nucleare.

In uno studio pubblicato nell'edizione del 17 marzo di Rapporti scientifici , un team della LLNL e della Texas A&M University ha utilizzato un metodo a fascio di ioni pulsato sviluppato di recente per studiare come il danno da radiazioni nel carburo di silicio è influenzato dalla densità delle cascate di collisione. Il carburo di silicio è una ceramica nucleare e un materiale semiconduttore a banda larga. Il team ha studiato sistematicamente la dinamica dei difetti di radiazione nel carburo di silicio bombardato con ioni diversi che creano cascate di collisione con densità in un'ampia gamma. I ricercatori hanno utilizzato fasci di ioni pulsati per misurare la durata dei difetti mobili e hanno sviluppato un nuovo metodo per calcolare le densità a cascata.

Il team ha scoperto che le cascate di collisione più dense non solo creano più danni, ma si evolvono anche molto più lentamente delle cascate diluite. Il loro lavoro è la prima dimostrazione che, oltre alla dose, la dinamica di interazione dei difetti nel carburo di silicio dipende fortemente dalla densità della cascata.

"Questo studio è un altro esempio di come lo sviluppo di nuovi metodi sperimentali può aiutarci a comprendere meglio i processi di base del danno da radiazioni, " ha detto lo scienziato LLNL L. Bimo Bayu Aji, l'autore principale dell'articolo.

"Questo lavoro mostra che si prevede che il carburo di silicio danneggi in modo diverso in ambienti con radiazioni caratterizzati da diversi flussi ed energie di neutroni, e che qualsiasi modellazione veramente predittiva del danno da radiazioni deve includere dinamiche di interazione dei difetti, " ha detto Sergei Kucheyev, il capo progetto LLNL.